哈工大海归教授联合开发新型超分辨结构光显微
发布时间:2021-11-24 12:40

  11 月 16 日,哈工大仪器学院海归教授李浩宇参与的最新论文,终于发表在 Nature Biotechnology 上。他表示:

  该论文的发表,也意味着李浩宇老师和合作者们,在光学超分辨显微成像技术领域取得了突破性进展。在低光毒性条件下,将结构光显微镜的分辨率,从原来的 110 纳米提升至 60 纳米,实现超快速、长时程的活细胞超分辨成像。

  李浩宇介绍称,光学超分辨打破了光的物理衍射极限。2014 年的诺贝尔化学奖,颁给了利用操控荧光蛋白的办法解决上述物理极限的科学家。

  发展至今,物理方法和化学方法实现超分辨成像已经走到了瓶颈,bob电竞体育追求更高的显微镜分辨率,正面临着很大的挑战。而本次研究实际上是一个广义的数学算法框架,可把几款常用的荧光显微镜仪器的成像分辨率提升两倍。

  以转盘共聚焦显微镜为例,它的商用仪器正常分辨率是大约 160 纳米,借助该成果可把它提高到 80 纳米左右。因此该团队等于从最优化求计算的角度,把此前可达到的瓶颈极限分辨率向前推了一大步。

  以此技术为基础,李浩宇等人联合北京大学陈良怡团队,bob电竞体育合作研发出一款超快的结构光超分辨荧光显微镜系统(Sparse-SIM),具备超分辨、高通量、低毒性、非侵入等特点。当处于高速成像时,该系统不仅能实现 60 纳米的分辨率,也可实现 1 小时以上的超长时间活细胞动态快速成像。

  借助该成果中的影像技术,肌动蛋白络、细胞深处溶酶体和脂滴的快速行为也可得到观测,以及双色线粒体内外膜之间的精细运动也可被观测到。

  概括来说,在物理方法和化学方法基础上,从另一个数学计算的角度出发,李浩宇和团队首次提出了一款突破光学衍射极限的通用算法模型,这不仅是从 0 到 1 的原创性研究,借此也研发出了活细胞光学显微成像中分辨率最高、成像时间最长、速度最快的超分辨显微仪器。

  令人惊喜的是,该技术框架也被证明适用于目前多数荧光显微镜成像系统模态,均可实现近两倍的稳定空间分辨率提升,为精准医疗和新药研发提供了新一代生物医学超分辨影像仪器,使未来大幅度加速疾病模型的高精度表征成为可能。

  2017 年底回国入职哈工大后,李浩宇师一直专注于高分辨率光场显微镜,尽管这不是在超分辨尺度范畴,但是其的分辨率牺牲比较大一直困扰着这个领域,所以他一直在思考如何解决该难题。

  2018 年 4 月,北京大学陈良怡教授发表了一篇领域内十分有影响力的论文,提出利用海森矩阵约束空时连续性,抑制结构光显微镜的高频伪影,实现了超灵敏的超分辨显微成像。他看到论文后,对提高分辨率也产生一些新想法,比如使用稀疏解卷积的方法,再结合海森矩阵,即可让数据的最优化迭代更加合理,如此便可得到更合理的约束,那么最终结果是否也更出色?

  于是,李浩宇和其博士生赵唯淞在光场显微镜成像结果中进行了初步尝试,结果发现计算重建的已知尺寸的空心三维微球体的分辨率有明显的提高。

  2018 年 8 月,测量与仪器国际研讨会在云南举行,李浩宇有幸认识了北京大学的程和平院士,当时程院士和陈良怡老师刚刚发表了微型化佩戴式双光子荧光显微镜的新成果,李浩宇十分敬佩并借此机会也介绍了他自己最新的光场显微镜拍摄的细胞内线粒体动态变化的经过。

  程院士对此十分感兴趣,邀请李浩宇去北大做报告。做报告时,陈良怡对他提到的算法很感兴趣,认为该算法也可能从超分辨系统移植到其他显微镜,并有不错的潜力。

  当然,现在该论文的发表已经证明它可被移植到所有荧光显微镜中,但当时他们并未做出过于大胆的想象,怀着慎重态度和探索精神,只是不断地尝试,其中在结构光显微镜中,发现分辨率的确提高了。

  但是,研究结构光显微镜的学者们很难接受这一观点,因为结构光显微镜在重建超分辨图像的过程中,在高频的频谱有滤波操作,所以人们认为在线性结构光显微镜系统中的高频谱是被人为滤掉的,大家会依据以往的经验认为这是已消失信息,不太相信可以再被恢复。

  陈良怡在第一次看到重建后的图像分辨率提升这一结果后也非常惊讶,并打算小心的验证,为此想到了一个特别严谨的思路:小窝蛋白的尺寸大约有 60 个纳米左右,并且是一个圆环结构,如果线 纳米,那么就能分辨该蛋白的环状结构。

  另外,为了验证实验更贴近生物学家的实际应用,特别选择在活细胞上做成像。接下来,陈良怡课题组做了大量实验数据,经过算法处理后发现果然可以分辨小窝蛋白的环状结构,而且测量统计出来的直径,也和非线性结构光显微镜下记录的结果十分吻合。

  基于此,双方开始认真考虑计算方法能提高分辨率这一更大胆、也更广义的想法。在执笔论文时李浩宇写道,陈良怡老师很早就意识到,从实际成像的性能角度出发,线 纳米分辨率此前在全世界都是没有的。此前,一些做法是要抛开成像速度去谈成像分辨率,因此尽管当时很多成果报道称可达到 60 纳米分辨率,但并没有真正在活细胞任何状态下。因此,该团队当时提出这样的观点十分具有挑战性。

  第一次投稿时,尽管想到了新算法理念会被质疑,因此并没有刻意强调用计算方法来提高显微镜的物理分辨率的冲击性观点,而是聚焦在稀疏解卷积算法与结构光显微镜结合后的性能,以及与商业转盘式共聚焦超分辨率显微镜结合后如何提升它们以及其他荧光显微镜的性能上。

  但是,仍然被连续拒绝了四次,每次都跟着大约 10 页纸的问题和意见。审稿人一遍遍追问的是:这个方法提升分辨率的结果是真的吗?对生物成像领域会有真正的推动吗?审稿人虽然表示活细胞的实验结果非常可信,但是并不理解研究中使用的方法原理,同时评审也是苛刻和公正的,他们表示对这种算法保持好奇,并提出了各种实验要求。

  这时陈良怡一直组织各种资源和合作去做验证实验。比如当专家提出 DNA 折纸验证的挑战性实验,合作者开始同时并行做实验,以保证进度;并提出测试膨胀显微镜,以便有最新的硬件平台共享;研究中使用的荧光探针是最好的,显微镜的光学硬件平台也是多年积累的精华。

  最后的文章有 28 位作者之多,是因为其他几家院校的课题组,都在帮助验证算法原理。针对所有的问题一遍遍做新实验和新分析,用经得起推敲的结果说服评委。从 163 页、到 192 页、到 167 页到最后 148 页纸的回复修改,经历漫长的过程,坚持到最后,三位审稿人此前非常坚定的质疑开始出现明显好转,bob娱乐网页版最终该论文收到了录用通知。

  据介绍,李浩宇生于 1986 年,黑龙江人。2005 年本科考入哈尔滨工业大学,本硕期间分别在通信工程和电磁场与微波技术专业学习。2015 年在爱尔兰都柏林大学获得电子工程博士学位,随后赴美国纽约州立大学石溪分校生命光学成像实验室开始博士后课题研究。

  读博士期间时,他主要研究全息技术等经典光学。显微镜技术适用于活细胞成像将分辨率极限从在 2014 年诺贝尔奖授予超分辨荧光显微镜技术,他转而研究更有兴趣显微成像技术领域。当时他在纽约州立大学石溪分校做博后研究,已经和同事做出了可观察到亚细胞尺度内线粒体的光场显微镜技术。

  2017 年 12 月,李浩宇的母校哈工大在全球招聘青年学者,随后他决定结束海外留学生涯,回到哈工大加入仪器学院担任教职。回国以后,以谭久彬院士团队为平台,他仍在坚持研究如何提高分辨率,以及如何才能构建出更好的显微镜计算框架,于是便有了文章开头的新成果。

  谈及该技术的未来,他表示希望这项技术以后能被生物学家在日常中使用,帮助他们增强图像信息与分辨率,助力后续的定量化分析。

  他表示, 我们追求光学成像技术的突破,新思路会有质疑,这也是推动深入思考算法内涵,完善计算理论的过程。真正的科学家精神,除了宝贵的经验,还有仰望星空的好奇,天马行空的想象。只要对这个世界还有好奇心,我们追求分辨率的脚步就不会停止。

  说到目前国家高端超分辨显微镜仪器现状,他表示我们实际上也还处在高端显微镜仪器研发的初期,技术从零到一的突破,哈工大海归教授联合开发新型超分辨结构光聚集了学术资源,给人一种错觉,弯道超车成功,但是未来发展也并非一片光明。

  我们也要清醒的看到这个行业技术竞争迭代非常快,如果我们不能在前沿高端技术领域,持续开拓,挑战技术极限,追求至臻境界,而是沉浸在过度自我认可中,最终会失去核心技术竞争力,留下几篇无用的文章。

  问及回国后工作的感受,李浩宇表示工作重心在于做好教学和科研的平衡,入职后他选择担任主讲本科生专业核心课:《物理光学》,备课很花时间,授课的经验水平也有限,希望这些年在科研中对光学的认知,能有一点点启发到学生。他表示,因为每一节课上坐在教室里的不只同学们,还有一个 15 年前的自己,怀着对一个好老师的全部期待。