[论文解读] Structured Illumination in Spatial-Orientational Hyperspace

Karl Zhanghao, Xingye Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 14被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种偏振结构光照明显微镜（pSIM），通过在时空-角度超空间中分析偶极子，实现了荧光偏振显微镜中空间信息与角度信息的解耦。该方法可在活细胞中实现对细胞骨架网络、λ-DNA 和微管等亚细胞结构的超分辨成像，揭示了肌动蛋白环的组织结构及偶极子行为的动态特性，并与商用和自制SIM系统具有直接兼容性。

ABSTRACT

Fluorescence polarization microscopy images both the intensity and orientation of fluorescent dipoles, which plays a vital role in studying the molecular structure and dynamics of bio-complex. However, it is difficult to resolve the dipole assemblies on the subcellular structure and their dynamics in living cells with super-resolution. Here we report polarized structured illumination microscopy (pSIM), which decouples the entangled spatial and angular structured illumination through interpreting the dipoles in spatio-angular hyperspace. We demonstrate its application on a series of biological filamentous systems such as cytoskeleton networks and lambda-DNA, and report the dynamics of short actin sliding through myosin-coated surface. Further, pSIM reveals side-by-side organization of the actin ring structure in the membrane-associated periodic skeleton in hippocampal neurons. It also images the dipole dynamics of green fluorescent proteins labeled to the microtubules in live U2OS cells. pSIM can be applied directly to a large variety of commercial or home-built SIM systems.

研究动机与目标

• 为了解决由于荧光偏振显微镜中空间信息与角度信息相互纠缠，导致难以分辨活细胞中分子组织结构与动态的问题。
• 开发一种能够解耦空间与取向结构照明的方法，实现在强度和偶极子取向上的超分辨成像。
• 实现对现有商用和自制SIM系统的直接应用，以提升生物成像的可及性。
• 以增强的分辨率和取向灵敏度，可视化细胞骨架网络、λ-DNA 和微管等亚细胞结构。
• 利用定量偏振成像技术，研究活细胞中肌动蛋白滑动和偶极子重取向等动态过程。

提出的方法

• pSIM通过在时空-角度超空间中解析荧光偶极子，实现对结构照明中空间与角度分量的解耦。
• 该方法通过引入偏振敏感性，扩展了传统结构光照明显微镜（SIM），以提取偶极子取向信息。
• 该方法采用数学框架，在傅里叶域中分离空间频率与角度分布的贡献。
• 采用双通道检测方案，同步捕获强度与偏振状态，实现完整的时空-角度重建。
• 重建算法利用已知的偶极子发射模式，实现对取向与位置的亚衍射分辨率解码。
• 该方法通过增加偏振敏感检测，与标准SIM硬件兼容，无需对系统进行大规模改造。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将结构光照明显微镜扩展至在活细胞中同时解析空间与角度（偶极子取向）信息？
• RQ2 膜关联周期性骨架中肌动蛋白丝的并排排列如何影响其结构与功能特性？
• RQ3 在活的U2OS细胞中，标记有绿色荧光蛋白的微管中偶极子取向的动态行为如何？
• RQ4 pSIM能否以足够的空间与角度精度分辨由肌球蛋白马达驱动的短时肌动蛋白滑动事件？
• RQ5 pSIM在不进行硬件改造的前提下，能在多大程度上应用于现有商用或自定义SIM系统？

主要发现

• pSIM成功解析了海马神经元膜关联周期性骨架中肌动蛋白丝的并排排列结构，揭示了此前未被解析的组织构型。
• 该方法以亚衍射的空间与角度分辨率，可视化了肌球蛋白包被表面的短时肌动蛋白滑动动态过程。
• pSIM捕捉到了活U2OS细胞中绿色荧光蛋白标记微管的取向重排动力学，实现了对偶极子行为的实时监测。
• 通过在时空-角度超空间中解耦空间与角度信息，该技术实现了细胞骨架网络与λ-DNA的超分辨成像。
• pSIM可直接应用于广泛的商用与自制SIM系统，无需硬件大规模改造，显著推动了其在生物成像中的普及应用。
• 该方法可同时实现偶极子取向与强度的定量分析，显著提升了荧光显微镜所提取的结构与动态信息。