三維結構照明顯微鏡（3D-SIM）提供出色的光學切片，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，導致了該方向上的圖像細節模糊以及整體圖像失真。

2024年12月23日，北京大學黃小帥和陳良怡、西湖實驗室章永登、重慶郵電大學范駿超在國際頂級期刊Nature Methods發表題為《Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100-nm resolution with 4Pi-SIM》的研究論文，北京大學博士生歐陽子婧、西湖大學博士生王倩、北京大學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，北京大學國際癌癥研究院助理教授、PI，國家優青。2013年在武漢大學獲得學士學位，于2018年在北京大學獲得博士學位，2018-2020年在北京大學分子醫學研究所從事博士后研究，自2020年起任北京大學助理教授、博士生導師。

黃小帥的研究領域為顯微成像技術；細胞生物學。其研究方向為三維超分辨率顯微成像技術；快速超分辨率顯微成像技術；無標顯微成像技術；細胞器互作網絡。

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

陳良怡教授的主要研究方向是糖尿病發病過程中胰島素分泌異常機制，發明了一系列的高時空分辨率生物醫學成像的可視化手段。

章永登，西湖實驗室研究員。2008年獲得中南大學學士學位，2013年獲得華中科技大學（中國科學院生物物理研究所聯合培養）博士學位，導師為中國科學院院士徐濤教授。2013-2014年在中國科學院生物物理研究所任助理研究員，2014年起在美國耶魯大學從事博士后研究，于2020年加入西湖大學任研究員，組建超分辨率熒光顯微成像實驗室。現同時任職于西湖實驗室。

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（例如PALM/STORM）的開發及其生物學應用。

范駿超，重慶郵電大學計算機學院副教授。1991年出生，2014年和2020年獲華中科技大學學士和博士學位，2020年加入重慶郵電大學。

范駿超副教授長期從事超分辨率顯微成像方法的相關研究，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，它將3D-SIM與干涉顯微鏡相結合，通過照明和檢測波前的干涉來實現各向同性光學分辨率。

研究人員通過對不同細胞類型的各種亞細胞結構進行高保真度成像來評估4Pi-SIM的性能。

另外，作者通過在數百個時間點進行延時體積成像來展示其能力，實現約100 nm的3D分辨率。

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

這些結果強調了4Pi-SIM在闡明亞細胞結構和揭示納米尺度動態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實現固定細胞的各向同性3D成像

圖3：4Pi-SIM揭示內質網、高爾基體和質膜的3D結構

圖4：使用4Pi-SIM進行時間序列體積活細胞超分辨率成像

圖5：4Pi-SIM揭示內質網的3D重塑

圖6：4Pi-SIM通過同時雙色成像可視化細胞器相互作用

綜上，作者介紹了4Pi-SIM技術，這是一種結合了三維結構照明顯微鏡（3D-SIM）和干涉顯微鏡的先進成像技術，通過干涉照明和檢測波前來實現各向同性光學分辨率，從而以約100納米的3D分辨率揭示亞細胞結構和動態。

研究團隊成功開發了4Pi-SIM技術，它不僅提高了成像分辨率，還擴展了成像深度，并實現了活細胞中多色成像，這對于深入理解細胞內部復雜結構和動態過程具有重要意義。

4Pi-SIM技術的應用前景廣闊，它有望在細胞生物學、藥物開發和疾病研究等領域發揮重要作用，特別是在需要高分辨率和活細胞成像的場合。

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