Nature子刊：单细胞成像新技术

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来自乔治亚理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员近日开发了一项新技术，可大大提高科学家们获得运动中的单细胞结构清晰图谱的能力。利用压缩传感鉴别分子，这项新技术为我们提供了必要的空间分辨率以及可能比以前更快的时间分辨率。相关研究论文发布在4月22日的《自然方法》(Nature Methods)杂志上。

尽管在过去的几年里，超分辨率显微镜领域取得了大量的成果，空间分辨率不断提高，然而由于需要高时间分辨率活细胞成像 仍是一个挑战。

在这篇文章中，来自乔治亚州理工学院George W. Woodruff机械工程学院的助理教授朱磊(Lei Zhu，生物通音译)和加州大学旧金山分校药物化学系和生物化学与生物物理学系助理教授黄波(Bo Huang，生物通音译)开发出了一种先进的技术，利用超分辨率显微镜解析了相比过去能看到的小一个数量级的细胞元件。这使得研究人员能够挖掘到从前无法触及的信息，解答新的生物学问题。

过去超分辨率显微镜采用的单分子 开关(single-molecule-switching)技术主要依赖于将单分子成像稀疏地散布到大量，通常是成千上万的照相机像帧(camera frames)上。它在时间分辨率上极其受限，无法在活细胞中追踪动态过程。

朱磊说：“现在利用我们的成果，使用具有秒或甚至子秒(sub-second)时间分辨率的超分辨率显微镜可以大视野地追踪更多的动态细胞过程。我们对于单细胞生命的知识大部分都来自于我们观察细胞中微小结构的能力。”

黄波指出：“其中的一种应用就是研究细胞的能量工厂线粒体与其他细胞器和细胞生命周期过程中结构重塑的细胞骨架之间的互作机制。”

当前，光学显微镜，尤其是荧光显微镜仍然被许多生物学家经常使用。然而作者们认为传统的光学显微镜有一个主要的局限：由于受到衍射现象的影响，无法解析距离小于半个光波的物体。无论使用多高的放大倍数，衍射均使得成像看起来模糊，相互重叠。

“衍射限制一直以来被视为是光学显微镜的一个基础局限，直到近期发明了超分辨率荧光显微镜技术，”朱磊说。超分辨率显微镜技术，例如随机光重建显微镜 (stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)和光敏定位显微镜(photoactivated localization microscopy, PALM)，均依赖于记录样品中单个分子的光发射(light emission)的能力。

利用可在可视与不可视状态间转换的标记分子，STORM/PALM可确定每个目的分子的位置。这些位置最终定义结构。

原文摘要：

Faster STORM using compressed sensing

In super-resolution microscopy methods based on single-molecule switching, the rate of accumulating single-molecule activation events often limits the time resolution. Here we developed a sparse-signal recovery technique using compressed sensing to analyze images with highly overlapping fluorescent spots. This method allows an activated fluorophore density an order of magnitude higher than what conventional single-molecule fitting methods can handle. Using this method, we demonstrated imaging microtubule dynamics in living cells with a time resolution of 3 s.