三維結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（3D-SIM）提供出色的光學(xué)切片，與寬場顯微鏡相比，其所有維度的分辨率提高了一倍。然而，其軸向分辨率低得多，導(dǎo)致了該方向上的圖像細(xì)節(jié)模糊以及整體圖像失真。

2024年12月23日，北京大學(xué)黃小帥和陳良怡、西湖實(shí)驗(yàn)室章永登、重慶郵電大學(xué)范駿超在國際頂級期刊Nature Methods發(fā)表題為《Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100-nm resolution with 4Pi-SIM》的研究論文，北京大學(xué)博士生歐陽子婧、西湖大學(xué)博士生王倩、北京大學(xué)博士生李曉雨為論文共同第一作者，黃小帥助理教授、陳良怡教授、章永登研究員、范駿超副教授為論文共同通訊作者。

黃小帥，北京大學(xué)國際癌癥研究院助理教授、PI，國家優(yōu)青。2013年在武漢大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，于2018年在北京大學(xué)獲得博士學(xué)位，2018-2020年在北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所從事博士后研究，自2020年起任北京大學(xué)助理教授、博士生導(dǎo)師。

黃小帥的研究領(lǐng)域?yàn)轱@微成像技術(shù)；細(xì)胞生物學(xué)。其研究方向?yàn)槿S超分辨率顯微成像技術(shù)；快速超分辨率顯微成像技術(shù)；無標(biāo)顯微成像技術(shù)；細(xì)胞器互作網(wǎng)絡(luò)。

陳良怡，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博雅特聘教授，國家杰青，國家優(yōu)青（2012）。1995年于西安交通大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；1998年于華中理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，師從康華光教授和瞿安連教授；2001年于華中科技大學(xué)獲博士學(xué)位，師從康華光教授和鄒壽彬教授。2000-2004年在美國華盛頓大學(xué)從事博士后研究工作，導(dǎo)師為Bertil Hille教授（三院院士）；2004年回國后任中國科學(xué)院生物物理研究所副研究員。2010年任北京大學(xué)教授、研究員。

陳良怡教授的主要研究方向是糖尿病發(fā)病過程中胰島素分泌異常機(jī)制，發(fā)明了一系列的高時空分辨率生物醫(yī)學(xué)成像的可視化手段。

章永登，西湖實(shí)驗(yàn)室研究員。2008年獲得中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2013年獲得華中科技大學(xué)（中國科學(xué)院生物物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)）博士學(xué)位，導(dǎo)師為中國科學(xué)院院士徐濤教授。2013-2014年在中國科學(xué)院生物物理研究所任助理研究員，2014年起在美國耶魯大學(xué)從事博士后研究，于2020年加入西湖大學(xué)任研究員，組建超分辨率熒光顯微成像實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)同時任職于西湖實(shí)驗(yàn)室。

章永登研究員長期致力于單分子超分辨率熒光顯微成像技術(shù)（例如PALM/STORM）的開發(fā)及其生物學(xué)應(yīng)用。

范駿超，重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授。1991年出生，2014年和2020年獲華中科技大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位，2020年加入重慶郵電大學(xué)。

范駿超副教授長期從事超分辨率顯微成像方法的相關(guān)研究，以（共同）第一作者或通訊作者在Nature Biotechnology、Nature Communications等高水平期刊發(fā)表論文十余篇。

在這里，作者介紹了4Pi-SIM顯微鏡，這是對I5S的重大改進(jìn)，它將3D-SIM與干涉顯微鏡相結(jié)合，通過照明和檢測波前的干涉來實(shí)現(xiàn)各向同性光學(xué)分辨率。

研究人員通過對不同細(xì)胞類型的各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行高保真度成像來評估4Pi-SIM的性能。

另外，作者通過在數(shù)百個時間點(diǎn)進(jìn)行延時體積成像來展示其能力，實(shí)現(xiàn)約100 nm的3D分辨率。

此外，研究人員還說明了其能夠同時進(jìn)行雙色成像，并捕獲3D空間中緊密排列的細(xì)胞器之間的快速相互作用。

這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了4Pi-SIM在闡明亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和揭示納米尺度動態(tài)行為方面的巨大潛力。

圖1：4Pi-SIM原理和分辨率性能

圖2：4Pi-SIM實(shí)現(xiàn)固定細(xì)胞的各向同性3D成像

圖3：4Pi-SIM揭示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和質(zhì)膜的3D結(jié)構(gòu)

圖4：使用4Pi-SIM進(jìn)行時間序列體積活細(xì)胞超分辨率成像

圖5：4Pi-SIM揭示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的3D重塑

圖6：4Pi-SIM通過同時雙色成像可視化細(xì)胞器相互作用

綜上，作者介紹了4Pi-SIM技術(shù)，這是一種結(jié)合了三維結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（3D-SIM）和干涉顯微鏡的先進(jìn)成像技術(shù)，通過干涉照明和檢測波前來實(shí)現(xiàn)各向同性光學(xué)分辨率，從而以約100納米的3D分辨率揭示亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和動態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了4Pi-SIM技術(shù)，它不僅提高了成像分辨率，還擴(kuò)展了成像深度，并實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞中多色成像，這對于深入理解細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程具有重要意義。

4Pi-SIM技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，它有望在細(xì)胞生物學(xué)、藥物開發(fā)和疾病研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，特別是在需要高分辨率和活細(xì)胞成像的場合。

Ouyang, Z., Wang, Q., Li, X.?et al.?Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100-nm resolution with 4Pi-SIM.?Nat. Methods?(2024).