DNA-PAINT與光學(xué)光子重分配旋轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦顯微鏡的結(jié)合應(yīng)用

本文介紹了一項(xiàng)突破性顯微成像技術(shù)——DNA-PAINT與光學(xué)光子重分配旋轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦顯微鏡（SDC-OPR）的結(jié)合應(yīng)用。該技術(shù)成功解決了超分辨顯微成像中信號(hào)噪聲比、穿透深度、視野范圍與空間分辨率無(wú)法兼得的難題，首次在完整細(xì)胞和組織中實(shí)現(xiàn)了大視野（最大211×211μm²）、深穿透（9μm深度）與納米級(jí)分辨率（6nm平面精度）的同步優(yōu)化。研究者通過(guò)DNA折紙結(jié)構(gòu)驗(yàn)證技術(shù)極限，并在核孔復(fù)合體、線粒體、微管等生物樣本中驗(yàn)證了其普適性，進(jìn)一步應(yīng)用于果蠅視網(wǎng)膜上皮發(fā)育研究，揭示了E-cadherin在細(xì)胞連接中的異質(zhì)分布，并量化了膠原蛋白分泌囊泡的分子組成。

本成果由Cecilia Zaza, Megan D. Joseph, Olivia P.L. Dalby, Rhian F. Walther, Karol Kotaral, German Chiarelli, Franck Pichaud, Guillermo P. Acuna & Sabrina Simoncelli團(tuán)隊(duì)完成。研究論文《Super-resolution imaging in whole cells and tissues via DNA-PAINT on a spinning disk confocal with optical photon reassignment》于2025年5月線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01納米級(jí)分辨率驗(yàn)證
研究者設(shè)計(jì)了三組間距分別為53nm、17nm和10nm的DNA折紙結(jié)構(gòu)作為標(biāo)尺。在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦（SDC）下，10nm間距的對(duì)接位點(diǎn)無(wú)法分辨（平均定位精度10nm）。而SDC-OPR通過(guò)微透鏡陣列壓縮焦點(diǎn)尺寸，將光子重定向至最可能的起源位置：

實(shí)驗(yàn)測(cè)得17nm與10nm間距的實(shí)際距離為（17±1）nm和（9.8±0.5）nm，定位精度（σSMLM）達(dá)1.4nm（克拉美羅下限），最小可分辨6nm間距結(jié)構(gòu)。

02細(xì)胞結(jié)構(gòu)的納米尺度解析
在U2OS細(xì)胞中，靶向核孔蛋白Nup96的DNA-PAINT成像清晰呈現(xiàn)了核孔復(fù)合體的八重對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)：

通過(guò)交叉剖面分析測(cè)得Nup96蛋白對(duì)間距為（13±2）nm，與冷凍電鏡模型一致。結(jié)合順序成像增強(qiáng)技術(shù)（RESI），定位精度進(jìn)一步提升至3Å（埃米級(jí)）。

03大視野與深穿透能力
在53×53μm²視野下，微管網(wǎng)絡(luò)成像的定位精度在0-9μm深度保持穩(wěn)定（σSMLM<10nm）。即使視野擴(kuò)大至211×211μm²（覆蓋多細(xì)胞區(qū)域），仍實(shí)現(xiàn)平均9.5nm精度：

線粒體3D成像中，通過(guò)500nm層厚掃描重構(gòu)5.5μm細(xì)胞體積，膜厚度測(cè)量值為48±12nm，近基底處精度達(dá)30nm。

04組織層面的突破性應(yīng)用 
在果蠅視網(wǎng)膜上皮（深度9μm）中，E-cadherin成像精度（12±1）nm首次揭示黏附連接存在三種納米簇群（230±40nm,352±90nm,470±160nm）。

膠原蛋白IV囊泡的定量PAINT（qPAINT）分析顯示，每個(gè)分泌囊泡平均包含46±27個(gè)分子：

在更深層（15μm）的蛹期視網(wǎng)膜中，仍保持26nm精度，突破傳統(tǒng)TIRF/HILO的穿透極限。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破光學(xué)系統(tǒng)固有矛盾
傳統(tǒng)超分辨顯微技術(shù)長(zhǎng)期受限于三大矛盾：
視野與分辨率矛盾：寬場(chǎng)照明（TIR/HILO）視野≤40×40μm²
深度與信噪比矛盾：共聚焦系統(tǒng)在>5μm深度精度驟降至>20nm
速度與精度矛盾：點(diǎn)掃描系統(tǒng)成像速度慢，視野�。�20×20μm²）

SDC-OPR通過(guò)微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)兩大革新：

光子重分配機(jī)制：將發(fā)射光子重定向至起源點(diǎn)，等效于無(wú)限小針孔
背景噪音抑制：在擴(kuò)大視野（211×211μm²）同時(shí)保持6-9nm精度

總結(jié)與展望
本研究通過(guò)DNA-PAINT與SDC-OPR的融合，建立了首個(gè)兼具納米分辨率、大視野、深穿透的超分辨成像平臺(tái)。其核心價(jià)值在于突破光學(xué)物理極限——在旋轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦框架內(nèi)，通過(guò)光子重分配機(jī)制將平面分辨率提升至6nm，9μm深度精度達(dá)亞10nm，視野擴(kuò)大至傳統(tǒng)方法的25倍。這不僅實(shí)現(xiàn)了核孔蛋白、微管等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的埃米級(jí)解析，更在模式生物發(fā)育研究中首次量化了黏附蛋白納米簇與分泌囊泡的分子組成。

未來(lái)該技術(shù)可通過(guò)三方面持續(xù)突破：

探針革新：結(jié)合自淬滅染料提升成像速度與信噪比
系統(tǒng)集成：引入像散透鏡優(yōu)化3D分辨率，耦合光片照明提升穿透力
生物應(yīng)用拓展：從靜態(tài)成像轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)觀測(cè)，如胚胎發(fā)育實(shí)時(shí)追蹤、神經(jīng)突觸可塑性研究

這項(xiàng)技術(shù)為生命科學(xué)提供了一把“納米標(biāo)尺”，將推動(dòng)從分子病理機(jī)制到精準(zhǔn)醫(yī)療研究的范式變革。

DOI:10.1038/s41467-025-60263-w.