在細胞生物學領域，光學顯微鏡因其非侵入性成為研究生命微觀世界的核心工具。然而，傳統光學顯微鏡受限于阿貝衍射極限（約200 nm），難以捕捉亞細胞器的精細動態。超分辨顯微技術的出現打破了這一桎梏，其中結構光照明顯微技術（SIM）憑借高時空分辨率與低光毒性優勢，成為活細胞成像的重要選擇。

北京大學陳良怡團隊在《Nater Photonics》發表的3D-MP-SIM技術，通過多平面同步檢測與協同重建算法的雙重創新，將三維超分辨成像速度提升8倍（達11卷/秒），軸向分辨率突破至300 nm，為活細胞動態研究開辟了新紀元。這項技術如何突破物理極限？又將如何改寫生命科學研究范式？

研究背景與技術挑戰
傳統三維SIM的技術瓶頸
三維SIM依賴三束激光干涉產生結構化照明圖案，通過計算解析莫爾條紋實現分辨率倍增。然而，其成像流程存在兩大瓶頸。首先，單次三維成像需采集5種橫向相位、3種方向和16層軸向平面的數據，耗時長達數秒，無法捕捉毫秒級動態過程。其次，活細胞器的快速運動（如晚期內吞體移動速度達0.5 μm/s）導致層間圖像錯位，重建圖像出現拉伸變形。這種時間分辨率與運動偽影的雙重限制，使得傳統SIM在活細胞研究中舉步維艱。

技術創新與應用
光學系統設計革新
3D-MP-SIM的核心突破在于將三光束干涉、多平面檢測與物理模型驅動的重建算法深度融合。光學系統采用定制圖像分割棱鏡（ISP），將熒光信號分割至兩個相機的八個區域，單次曝光即可捕獲1.55 μm軸向范圍內的八層信息。軸向相位延遲模塊由直角棱鏡與壓電平臺控制的屋頂棱鏡組成，通過55 μm機械位移精準引入π/2軸向相位差，為頻譜分離奠定基礎。偏振優化技術則通過高速液晶可變延遲器與1/4波片組合，將入射光調整為s偏振，使照明圖案對比度提升至90%以上。

成像實驗與結果分析
分辨率驗證與活細胞動態捕捉
在100 nm熒光微球實驗中，3D-MP-SIM的軸向分辨率與3D-SIM相當，較2D-MP-SIM提升51%。固定U2OS細胞的微管成像顯示，該技術可清晰分辨軸向間距300 nm的雙微管結構，而傳統多平面技術僅呈現模糊條帶。活細胞實驗中，3D-MP-SIM成功捕捉到晚期內吞體的完整輪廓運動，消除傳統SIM的圖像拉伸偽影；以11卷/秒速率記錄到線粒體膜雙重內陷的動態過程——一處完成分裂形成囊泡，另一處重新連接形成中空結構。

內質網高速重構與雙色成像
內質網成像實驗展現驚人時空分辨率：單個ER小管在300 ms內完成軸向延伸、跨層融合與收縮，重構出三維網狀結構。雙色成像模塊通過濾光輪同步切換激發/發射波長，實現線粒體內外膜的同步追蹤。實驗捕捉到線粒體納米管從分支網絡快速伸出，與相鄰線粒體建立瞬時連接；ER小管穿透線粒體中央孔洞時，伴隨線粒體形態的協同重構。這些發現為細胞器互作的力學機制研究提供了全新視角。

總結與展望
3D-MP-SIM的誕生標志著活細胞超分辨成像邁入全新維度。通過多平面同步捕獲與物理模型驅動的算法革新，該技術將三維成像速度提升至毫秒級（11卷/秒），軸向分辨率突破至300 nm，且光毒性與傳統3D-SIM相當。在晚期內吞體追蹤、線粒體分裂解析、ER動態網絡重構等場景中展現出顯著優勢，為細胞器互作、膜動力學等研究提供了利器。

當前技術仍存在改進方向，未來若融合深度學習去噪與稀疏解卷積算法，可進一步降低光劑量，實現長達數小時的高保真活細胞觀測。這項技術不僅將推動線粒體-內質網接觸位點（MERCs）調控機制、細胞器膜重構動力學等基礎研究，更可能在神經突觸遞質傳遞、病毒侵染途徑等醫學領域開辟新天地。當科學家們得以在三維空間中逐幀解析生命的納米級舞蹈，我們對生命本質的理解必將邁向新的高峰。

Chen, Q., Gou, W., Lu, W. et al. Fast, three-dimensional, live-cell super-resolution imaging with multiplane structured illumination microscopy. Nat. Photon. (2025).

DOI:org/10.1038/s41566-025-01638-9.