单颗粒追踪-结构光照明超分辨率荧光显微镜

The dynamic interactions between the cell membrane, organelles, subcellular structures of cells and intracellular protein molecules are important bases for the various physiological activities of cells, and these interactions are very worth study. In order to reveal the principle and characteristics of the dynamic interaction with large range of space (micron to nanometer scale) and time (milliseconds to minutes scale), this project combines Single Particle Tracking (SPT) and Structured Illumination Microscopy (SIM) to propose the new “SPT-SIM” to study these dynamic interactions. The advantage of SPT-SIM technology is the effective complementarity between the advantages and disadvantages of SPT and SIM. On one hand, SPT-SIM uses SIM to observe the dynamic structure of cells at high speed and during a long time while using SPT to achieve synchronous dynamic tracking of intracellular protein molecules. On the other hand, SPT can use the cell structure images provided by SIM to screen the tracked protein molecules to improve tracking efficiency and data accuracy.

活体细胞的细胞膜、细胞器和亚细胞结构与细胞内蛋白质分子的动态相互作用是细胞完成各项生理活动的重要基础，并具有十分重要的生物学研究价值。为了揭示这些空间（微米到纳米量级）和时间（毫秒到分钟量级）跨度较大的动态互作的原理和特性，本项目将单颗粒（分子）追踪（Single Particle Tracking, SPT）技术和结构光照明超分辨率荧光显微(Structured Illumination Microscopy, SIM)技术相结合，给出全新的“单颗粒追踪-结构光照明超分辨率荧光显微”技术来研究这些动态相互作用。新技术的优势在于实现了SPT和SIM的优缺点有效互补。一方面，新技术在利用SIM技术高速、长时程地观测细胞动态结构的同时利用SPT技术实现细胞内蛋白分子的同步动态追踪。另一方面，SPT技术可借助SIM技术提供的细胞结构图像筛选被追踪的蛋白分子，以提高追踪效率与数据准确性。

本项目的实施旨在开发单颗粒追踪-结构光照明超分辨率荧光联合成像技术，将单颗粒追踪和结构光照明超分辨成像技术整合成一套系统为生命科学研究提供良好通用性的超分辨率活细胞成像平台。在项目执行过程中，我们首先将二维/三维单颗粒追踪技术与结构光照明超分辨成像技术相结合开发多种新型生物力显微镜，研究了免疫细胞的免疫反应过程和细胞贴壁过程中的力学行为。接着，我们使用新型CMOS相机、开发自适应荧光漂白矫正算法和结合深度学习的超分辨重建算法优化成像质量和成像时程，成像时程相对传统显微镜提升十倍，观测到多种线粒体内脊和线粒体拟核的新型互作行为。最后，我们利用单颗粒追踪-结构光照明超分辨联合成像研究哺乳动物细胞动纤毛的外膜和纤毛内转运蛋白的动态行为。综上，本项目已经开发出一套适于生命科学研究的超分辨率活细胞成像平台，未来将极大助力生命科学研究。