介紹

超分辨率顯微成像是一系列能夠使研究人員能夠“打破”光學顯微鏡衍射障礙的方法，在該系列方法中分辨率最高的技術為光激活定位顯微技術（PALM）。這些方法依賴于在數千幀中對單個分子的隨機子集進行定位（SMLM），并將這些個體的定位重構為單個超分辨率圖像。傳統的定位顯微鏡可以在橫向維度上進行10~20nm的精確成像，為了實現更高的定位精度，要求顯微鏡配置具有更高信噪比的靈敏探測器。盡管橫向分辨率令人印象深刻，但傳統的2DSMLM仍通常缺乏軸向分辨率。

美國DoubleHelixOptics公司的SPINDLER系列3D顯微鏡成像模塊與3DTRAXR軟件相結合，可在三維尺度上實現高精度、亞衍射極限定位，并具有擴展的深度成像能力。SPINDLE采用精密光學器件設計，可與市面上在售的科學顯微鏡無縫集成，并提供前所未有的橫向和軸向精密成像組合。用戶可根據具體的應用選擇合適的相位掩模版以實現基于深度范圍、發射波長和信噪比等參數對點擴散函數（PSF）的優化，更重要的是，SPINDLE可在無需掃描的情況下在單張圖像中將傳統成像系統的景深擴大10倍。

在本文中，我們展示了如何將SPINDLE成像系統與傳統熒光顯微鏡結合使用以在所有三個維度（x、y、z）上實現亞衍射極限成像。SPINDLE可與任何高質量的科學相機兼容，無論是emccd還是scmos都可以提供定位顯微鏡所需的高信噪比圖像。

使用SPINDLE和DH-PSF相位掩模版對細胞微管進行三維超分辨成像

在本文中，我們證明了使用SPINDLE單通道模塊可以實現高精度、大深度的超分辨率重建。如圖1所示，使用Double Helix (DH-PSF) 的相位掩模版與SPINDLE單分子定位顯微鏡組件結合。系統將單個分子發出的光分成兩個光瓣，通過找到兩個光瓣的中心來檢索發光點的橫向（x-y）位置；兩光瓣之間的角度編碼了發光點的軸向（z）位置。這些額外的信息將有助于在橫向和軸向尺寸上以非常高的精度（<20nm）進行超分辨率重建。此外，SPINDLE擴展了分子可以定位的景深，這種精確度和擴展深度成像的結合能夠以顯著提高的z軸分辨率以收集更多的數據。

圖1：基于單分子定位顯微成像技術（SMLM）技術的帶有可互換相位掩模支架的SPINDLE模塊

為了演示SPINDLE的工作原理，我們使用NikonN-STORM顯微鏡結合PhotometricsPrime95B相機對被AlexaFluor647偶聯微管蛋白抗體標記的Cos7細胞進行了成像。對于該樣品，我們使用經過優化的相位掩模版，該掩模版可與遠紅外波長染料和1.49NA的100倍物鏡配合使用。樣品在640 nm激光連續照射下在Prime95B上成像，曝光時間為30 ms。使用3DTRAX軟件對單發射點進行定位，并將結果導出到ImageJ插件Thun-derSTORM。使用歸一化高斯方法重建圖像，并使用ImageJ查找表“Spectrum”以顏色對z深度進行編碼。

圖2：單個100nm珠在Prime95B上使用SPINDLE在焦平面（0μm）和焦平面上方（+1μm）和下方（-1μm）微米處的成像圖

重建的結果包含超過200萬個定位，并顯示Cos7細胞中微管的30μmx30μm視野、深度超過2.1μm的范圍（圖3左）。深度以顏色編碼，細胞底部為紅色/紫色，頂部附近為黃色/橙色。放大的插圖顯示微管在一定深度范圍內得到了很好的重建（圖3，右）。這些數據突出了使用Double Helix SPINDLE模塊帶來的擴展景深成像和高橫向和軸向分辨率。

使用Double Helix 3DTRAX軟件進行高精度三維定位

DoubleHelix3DTRAX軟件是一個ImageJ/FIJI插件，其可以在橫向和軸向以亞衍射極限精度定位單個分子。3DTRAX還使用克拉美-拉奧下限(CRLB)5計算了每個定位分子的精度值。該計算基于每個定位的信噪比。

圖3：使用SPINDLE(R)和Prime95B成像的微管三維超分辨率重建圖。左圖：Cos7細胞免疫染色的微管蛋白，顏色編碼深度。右圖：左側圖像的放大區域，顯示了深度超過2微米的微管。圖片由DoubleHelixOptics提供。平均CRLB值橫向約10nm，軸向約20nm（圖3）

概括

Double Helix的SPINDLE超分辨率3D顯微成像模組、相位掩模和3DTRAX軟件的組合可實現高精度大深度三維成像、跟蹤和計數。在此應用中，我們在亞細胞結構的三維超分辨率重建中展示了大約10nm的橫向精度和20nm的軸向精度。SPINDLE系列產品為研究人員提供了強大的工具集，可促進對廣泛生物系統中分子結構、亞細胞和細胞內相互作用的理解。

圖4：橫向和軸向精度。用于重建圖2所示圖像的定位精度值。精度值由3DTRAX軟件根據其信噪比使用每個發射器的Cramer-Rao下界5計算得出。定位數顯示在y軸上，精度值(nm)顯示在x軸上

相關文獻;

1.RustMJ,BatesM,ZhuangX.Sub-diffraction-limitimagingbystochasticopticalreconstructionmicroscopy(STORM).NatMethods.2006;3(10):793-796.doi:10.1038/nmeth929.

2.BetzigE,PattersonGH,SougratR,etal.Imagingintracellularfluorescentproteinsatnanometerresolution.Science.2006;313(5793):1642-1645.doi:10.1126/science.1127344.

3.JainS,WheelerJR,WaltersRW,AgrawalA,BarsicA,ParkerR.ATPase-ModulatedStressGranulesContainaDiverseProteomeandSubstructure.Cell.2016;164(3):487-498.doi:10.1016/j.

cell.2015.12.038.

4.WangD,AgrawalA,PiestunR,SchwartzDK.Enhancedinformationcontentforthree-dimensionallocalizationandtrackingusingthedouble-helixpointspreadfunctionwithvariable-angleilluminationepifluorescencemicroscopy.ApplPhysLett.2017;110(21):211107.doi:10.1063/1.4984133.

5.PavaniSRP,ThompsonMA,BiteenJS,etal.Three-dimensional,single-moleculefluorescenceimagingbeyondthediffractionlimitbyusingadouble-helixpointspreadfunction.ProcNatlAcadSci.2009;106(9):2995-2999.doi:10.1073/pnas.0900245106.

6.PavaniSRP,PiestunR.High-efficiencyrotatingpointspreadfunctions.OptExpress.

2008;16(5):3484.doi:10.1364/OE.16.003484.

7.XuK,BabcockHP,ZhuangX.Dual-objectiveSTORMrevealsthree-dimensionalfilamentorganizationintheactincytoskeleton.NatMethods.2012;9(2):185-188.doi:10.1038/nmeth.1841.

8.DempseyGT,VaughanJC,ChenKH,BatesM,ZhuangX.Evaluationoffluorophoresforoptimalperformanceinlocalization-basedsuper-resolutionimaging.NatMethods.2011;8(12):1027-1036.

doi:10.1038/nmeth.1768.

9.OvesnyM,K?í?ekP,BorkovecJ,?vindrychZ,HagenGM.ThunderSTORM:AcomprehensiveImageJplug-inforPALMandSTORMdataanalysisandsuper-resolutionimaging.Bioinformatics.

2014;30(16):2389-2390.doi:10.1093/bioinformatics/btu202.

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美國DoubleHelixOptics是一家位于美國科羅拉多州博爾德的計算光學公司。Double Helix Optics采用其專利的雙螺旋光工程成像技術設計開發下一代高精度3D成像產品，廣泛應用在生命科學和材料科學領域以實現對亞細胞結構3D的成像、跟蹤和計數。

DoubleHelix的SPINDLE系列成像模塊與可切換的相位掩模庫以及用于計算重建和分析的軟件相結合，確保為我們的客戶及其應用的具體情況提供最高質量的3D成像技術。

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審核編輯 黃昊宇