摘要：三维结构照明显微镜（3D-SIM）提供出色的光学切片，与宽场显微镜相比，其所有维度的分辨率提高了一倍。然而，其轴向分辨率低得多，导致了该方向上的图像细节模糊以及整体图像失真。

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三维结构照明显微镜（3D-SIM）提供出色的光学切片，与宽场显微镜相比，其所有维度的分辨率提高了一倍。然而，其轴向分辨率低得多，导致了该方向上的图像细节模糊以及整体图像失真。

2024年12月23日，北京大学黄小帅和陈良怡、西湖实验室章永登、重庆邮电大学范骏超在国际顶级期刊Nature Methods发表题为《Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotroPIc 100-nm resolution with 4Pi-SIM》的研究论文，北京大学博士生欧阳子婧、西湖大学博士生王倩、北京大学博士生李晓雨为论文共同第一作者，黄小帅助理教授、陈良怡教授、章永登研究员、范骏超副教授为论文共同通讯作者。

黄小帅，北京大学国际癌症研究院助理教授、PI，国家优青。2013年在武汉大学获得学士学位，于2018年在北京大学获得博士学位，2018-2020年在北京大学分子医学研究所从事博士后研究，自2020年起任北京大学助理教授、博士生导师。

黄小帅的研究领域为显微成像技术；细胞生物学。其研究方向为三维超分辨率显微成像技术；快速超分辨率显微成像技术；无标显微成像技术；细胞器互作网络。

陈良怡，北京大学未来技术学院博雅特聘教授，国家杰青，国家优青（2012）。1995年于西安交通大学获学士学位；1998年于华中理工大学获硕士学位，师从康华光教授和瞿安连教授；2001年于华中科技大学获博士学位，师从康华光教授和邹寿彬教授。2000-2004年在美国华盛顿大学从事博士后研究工作，导师为Bertil Hille教授（三院院士）；2004年回国后任中国科学院生物物理研究所副研究员。2010年任北京大学教授、研究员。

陈良怡教授的主要研究方向是糖尿病发病过程中胰岛素分泌异常机制，发明了一系列的高时空分辨率生物医学成像的可视化手段。

章永登，西湖实验室研究员。2008年获得中南大学学士学位，2013年获得华中科技大学（中国科学院生物物理研究所联合培养）博士学位，导师为中国科学院院士徐涛教授。2013-2014年在中国科学院生物物理研究所任助理研究员，2014年起在美国耶鲁大学从事博士后研究，于2020年加入西湖大学任研究员，组建超分辨率荧光显微成像实验室。现同时任职于西湖实验室。

章永登研究员长期致力于单分子超分辨率荧光显微成像技术（例如PALM/STORM）的开发及其生物学应用。

范骏超，重庆邮电大学计算机学院副教授。1991年出生，2014年和2020年获华中科技大学学士和博士学位，2020年加入重庆邮电大学。

范骏超副教授长期从事超分辨率显微成像方法的相关研究，以（共同）第一作者或通讯作者在Nature Biotechnology、Nature Communications等高水平期刊发表论文十余篇。

在这里，作者介绍了4Pi-SIM显微镜，这是对I5S的重大改进，它将3D-SIM与干涉显微镜相结合，通过照明和检测波前的干涉来实现各向同性光学分辨率。

研究人员通过对不同细胞类型的各种亚细胞结构进行高保真度成像来评估4Pi-SIM的性能。

另外，作者通过在数百个时间点进行延时体积成像来展示其能力，实现约100 nm的3D分辨率。

此外，研究人员还说明了其能够同时进行双色成像，并捕获3D空间中紧密排列的细胞器之间的快速相互作用。

这些结果强调了4Pi-SIM在阐明亚细胞结构和揭示纳米尺度动态行为方面的巨大潜力。

图1：4Pi-SIM原理和分辨率性能

图2：4Pi-SIM实现固定细胞的各向同性3D成像

图3：4Pi-SIM揭示内质网、高尔基体和质膜的3D结构

图4：使用4Pi-SIM进行时间序列体积活细胞超分辨率成像

图5：4Pi-SIM揭示内质网的3D重塑

图6：4Pi-SIM通过同时双色成像可视化细胞器相互作用

综上，作者介绍了4Pi-SIM技术，这是一种结合了三维结构照明显微镜（3D-SIM）和干涉显微镜的先进成像技术，通过干涉照明和检测波前来实现各向同性光学分辨率，从而以约100纳米的3D分辨率揭示亚细胞结构和动态。

研究团队成功开发了4Pi-SIM技术，它不仅提高了成像分辨率，还扩展了成像深度，并实现了活细胞中多色成像，这对于深入理解细胞内部复杂结构和动态过程具有重要意义。

4Pi-SIM技术的应用前景广阔，它有望在细胞生物学、药物开发和疾病研究等领域发挥重要作用，特别是在需要高分辨率和活细胞成像的场合。

Ouyang, Z., Wang, Q., Li, X. et al. Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100-nm resolution with 4Pi-SIM. Nat. Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02515-z.

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