新闻网讯 11月28日，Nature Communications在线发表了武汉光电国家研究中心张玉慧教授团队与英国牛津大学、浙江大学合作的最新研究成果：“Visualizing intraorganellar ultrastructures, dynamics, and interactions with open-access background-free Lock-in-SIM”。

亚细胞及亚细胞器，如线粒体内膜、内质网和溶酶体等的结构和动态，构筑了生命活动的基本架构。结构光照明显微镜（SIM）是目前最适用于活细胞超分辨成像的技术之一。然而，由于这些亚细胞器结构通常高度致密，且其尺度往往接近 SIM 的分辨极限。因此，即使轻微的三维背景或样品运动等都可能造成实际SIM成像分辨率的迅速下降甚至错误重建，给研究其精微结构和动态互作带来了严峻挑战。

受电路电子领域经典噪声抑制技术-锁相探测启发，牛津大学、rabey雷竞技、浙江大学等合作者提出了一种基于锁相解调的新型SIM重构策略。该技术巧妙利用了SIM图像中本征存在的正弦条纹作为参考信号来抑制背景噪声，提取和放大在焦微弱信号，从而在二维照明条件下实现了三维照明所具有的高信背比、光学层切能力和大成像深度，但同时成像速度远高于三维成像。基于锁相SIM的高时空分辨能力，研究者对多种复杂的亚细胞器结构进行了快速无损高保真活细胞观测，捕捉到了内质网与溶酶体相互作用的多种过程、发现了线粒体自调控分裂的新现象，为解析细胞代谢和细胞器互作等重要生物学问题提供了全新视角。论文也提供了开源MATLAB、Fiji/ImageJ和exe软件方便用户集成使用。

图1：锁相SIM重构原理及效果对比

2D-SIM成像使用结构光正弦条纹照明样品，获取不同方向和相位的原始图像进行后期超分辨重构。原始SIM图像得到的是三维样品结构的二维强度投影，包括离焦背景和在焦信号。由于背景噪声的差异，不同样品位置的结构光场调制对比度也会有所差异。基于该差异，可以从数学上将原始图像中的信息区分为在焦调制信号和未调制或弱调制背景噪声，从而实现对在焦信号和离焦背景的有效分离。使用背景滤除后的图像再进行传统SIM重构，即可获得高信背比的超分辨SIM结果。由于锁相SIM基于2D-SIM照明，因此其结果既保留了全内反射SIM的高信背比，又保留了2D-SIM的全细胞成像深度，如图1所示。

基于良好的去背景能力，锁相SIM可以实现2D成像下的3D光学层切重构，从而以更高精度获取到样品的3D信息。如图2a所示，相比于3D-SIM，锁相SIM重构具有完全一致的结构深度分布，但是传统SIM重构得到的深度信息则被淹没在背景中。进一步，更深入的生物学研究依赖于对强度图像的深入分析和定量信息提取。然而传统SIM定量分析结果的精度和分辨率同样会受到背景的影响。锁相SIM在去除背景后，可以极大提高后期定量分析精度，助力精准生物医学研究（图2b）。

图2：锁相SIM实现了基于2D图像获取的3D层切重构（a）及更高精度的图像定量信息提取（b）

通过最大限度地获取样品高频和深度信息，抑制背景伪影，锁相SIM实现了对细胞内密集排列的超微结构的超高分辨率可视化。锁相SIM捕捉到活细胞动态过程中，溶酶体具有复杂的形态和内部结构重塑，以积极适应外界环境的变化。在双色活细胞内质网-溶酶体成像中，锁相SIM实现了对内质网内部网状结构的高分辨重构，并捕捉到了多种内质网-溶酶体相互作用过程，如溶酶体介导的内质网管状结构和网状结构重塑、内质网介导的溶酶体运动和管状结构分裂。最重要的是，锁相SIM结果表明，线粒体分裂—这一涉及细胞代谢、稳态与凋亡等众多关键生命过程的核心调控节点—不仅受传统认知中的其他细胞器（如内质网和肌动蛋白）所调控，也可能受到线粒体自身的调控（图3）。通过 Drp1蛋白-线粒体双色成像，锁相SIM进一步揭示了其背后的分子和动力学机制。

图3：锁相SIM捕捉到活细胞内线粒体内脊的相互融合与分裂（b），线粒体整体的融合与分裂（c-e），并揭示了线粒体自调控分裂的新机制（f-h）

通过锁相去背景解调，锁相SIM同时实现了活细胞水平的高信背比、高保真、高定量化、长时程、高时空分辨率和全细胞层切成像，这些参数在传统成像技术中往往是相互冲突的。更重要的是，这些性能的提升并未增加额外的成像或后处理负担，也未恶化其他 SIM 性能指标，如通用性、低漂白、低光毒性和多色成像能力。这些特性使得锁相SIM 成为当前活细胞成像技术中的重要补充。此外。锁相SIM的生物学观察结果验证并拓展了当前关于细胞器动态和互作的理论模型，为理解基础生命过程和疾病发病机制等提供了新的见解和可能路径。

此外，锁相SIM提供了一套用户友好、开放获取的跨平台软件，包括MATLAB GUI、Fiji/ImageJ插件和exe可执行软件 （https://github.com/WenjieLab/Lock-in-SIM）。Fiji/ImageJ 插件同时具有转换多种 SIM 原始数据格式的功能，使得锁相SIM能够无缝处理现有商业 SIM 数据。我们期望开源锁相SIM能够成为研究亚细胞和亚细胞器结构和动态过程的新的理想工具，并促进更广泛的技术应用和科学合作。

论文通讯作者为牛津大学玛丽居里研究员刘文杰博士、牛津大学Lothar Schermelleh教授、rabey雷竞技张玉慧教授和浙江大学陈友华教授。第一作者为刘文杰博士、rabey雷竞技张朦博士、之江实验室朱文斌博士和浙江大学谢舜宇。共同作者包括浙江大学张金凤、钱书豪、刘智毅教授、郑秀、方秋圆、杨巍教授、王毅教授、刘旭教授和匡翠方教授，以及之江实验室朱大钊博士和张江实验室董建杰博士。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65805-w