浙大×哈工大合作Nature：超分辨化學(xué)顯微術(shù)，長時間看清活細胞中的“納米世界”

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

當我們試圖在納米尺度上觀察活細胞內(nèi)部的動態(tài)過程時，傳統(tǒng)超分辨熒光顯微鏡一直面臨著一個根本矛盾：要想“看清楚”，就需要強大的激光激發(fā)；但激光一旦打上去，光毒性和光漂白就會隨之而來，細胞活不久，從而導(dǎo)致“看不長”。

2026 年 8 月 12 日，浙江大學(xué)化學(xué)系馮建東教授團隊與哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院趙唯淞教授團隊（浙江大學(xué)朱文鑫、張弛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)桂家輝為論文共同第一作者）合作，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Luminescent-reaction-enabled super-resolution imaging 的研究論文。

該研究徹底摒棄了激發(fā)光，而是提出了一種基于化學(xué)反應(yīng)發(fā)光的超分辨成像方法——RIED（Reaction enabled super-resolutionImaging viaEntropy-weighted correlation combined withDeconvolution），把電化學(xué)發(fā)光（ECL）、化學(xué)發(fā)光（CL）和生物發(fā)光（BL）的空間分辨率都提升到了100 納米，并憑借生物發(fā)光的零光毒性優(yōu)勢，實現(xiàn)了長達41 小時的活細胞連續(xù)超分辨成像。這一成果打破了傳統(tǒng)熒光超分辨技術(shù)的生理時程限制，為在納米尺度下長時程探索生命動態(tài)過程提供了全新的強有力工具。

核心思路：讓“化學(xué)反應(yīng)”代替“激光”來照亮細胞

傳統(tǒng)熒光顯微鏡的邏輯是：用激光激發(fā)熒光探針 → 探針發(fā)射熒光 → 相機采集。這一機制天然受困于光毒性。

而電化學(xué)發(fā)光（ECL）、化學(xué)發(fā)光（CL）和生物發(fā)光（BL）這一類“反應(yīng)激發(fā)發(fā)光”走的是另一條路：發(fā)光由化學(xué)反應(yīng)本身驅(qū)動，因此不需要任何外部光源。

• ECL：由電極上的電化學(xué)反應(yīng)觸發(fā)，天然對“電極附近的界面”高度敏感；

• CL：反應(yīng)物在溶液中擴散并發(fā)生反應(yīng)，可在整個成像體積內(nèi)均勻激發(fā)；

• BL：由酶促反應(yīng)在活體內(nèi)催化產(chǎn)生，生物相容性極佳。

這三種發(fā)光機制共享一個誘人特性——零光激發(fā)背景、高信噪比。但過去幾十年里，它們一直被同一個短板卡住——光子預(yù)算極低。傳統(tǒng)方法往往要曝光幾十秒才能攢出一張圖，時空分辨率遠遠夠不上“超分辨”。

該研究提出的RIED方法，想要解決的，正是這個“低光子通量 vs 高分辨率”的矛盾。

RIED 怎么做：把每一次“閃爍”都算進分辨率里

RIED的核心洞察是：反應(yīng)發(fā)光本質(zhì)上是由一個個獨立的化學(xué)反應(yīng)事件組成的動態(tài)過程，每個事件都是一次高對比度的“閃爍”。只要把這些“閃爍”的時空統(tǒng)計特征抓出來，就能在計算上把分辨率“擠”上去。

整個流程可以拆成四步——

1. 時空采集：用高速相機以短曝光（可低至 20 毫秒）連續(xù)拍攝圖像序列，記錄每一個發(fā)光事件的時空軌跡。

2. 熵圖加權(quán)：引入空間熵圖量化每個像素的“信息含量”，用來補償 ECL 發(fā)光在空間和時間上的異質(zhì)性，減少重建不連續(xù)。

3. 時空互相關(guān)：對光子事件序列做互相關(guān)分析，剔除被多個重疊發(fā)光體主導(dǎo)的像素，從而把點擴散函數(shù)（PSF）的寬度壓窄。

4. 稀疏反卷積：最后用帶連續(xù)性和稀疏性雙重約束的反卷積進一步銳化圖像，在低光子預(yù)算下把分辨率和對比度拉滿。

模擬數(shù)據(jù)驗證表明，這套流程能在低光子、異質(zhì)性發(fā)光條件下真實重建出 Ground Truth 結(jié)構(gòu)，且引入的偽影有限。

三類反應(yīng)發(fā)光，全部提升至 ~100 nm 超分辨

電化學(xué)發(fā)光（ECL）：先把“光量”提升 1000 倍

要在細胞內(nèi)做 ECL 成像，第一步是解決“光子不夠”的問題。研究團隊把常用的共反應(yīng)物 TPrA 換成了 Bis-tris，在優(yōu)化條件下將 ECL 細胞成像亮度提升了約 1000 倍，使得 20 毫秒曝光下就能清晰看到微管絲。

在此基礎(chǔ)之上，RIED-ECL取得了多項突破——

• 橫向分辨率 97 nm，與熒光 SACD 超分辨結(jié)果高度一致；

• 通過步進式電壓調(diào)控同步改變激發(fā)深度，實現(xiàn) 3D 超分辨，可分辨軸向 235 nm、橫向 116 nm 間隔的微管；

• 在大視場（0.53 × 0.53 mm2）下完成高通量超分辨成像，平均 rFRC 分辨率 153 nm；

• 檢測靈敏度驚人：對癌胚抗原的單細胞成像中，RIED-ECL 的檢測閾值比熒光 SACD 降低了 8 倍——這歸功于 ECL 完全消除了背景熒光。

化學(xué)發(fā)光（CL）：均勻激發(fā)成就 3D 成像

CL 的優(yōu)勢在于反應(yīng)物在溶液中均勻擴散，可實現(xiàn)整個體積內(nèi)的均一激發(fā)。研究團隊采用基于 BRET 的 GeNL 探針（NanoLuc + mNeonGreen），在固定 COS-7 細胞中成像線粒體，通過步進掃描獲得 3D 分布：

• 側(cè)向分辨率 102 nm，軸向分辨率 221 nm；

• 重建結(jié)果與熒光 SACD 高度吻合。

生物發(fā)光（BL）：活細胞里的“超長待機”

BL 發(fā)生在活細胞內(nèi)，無需激光、無光毒性。研究團隊用 GeNL 探針在活 COS-7 細胞中成功對微絲、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、微管等細胞器做了超分辨成像，分辨率達到 117 nm，遠超傳統(tǒng)衍射極限的 BL 成像。

與活細胞熒光超分辨“標桿”技術(shù) SIM 的正面對比更直觀地說明了問題：在連續(xù)激光照射下，SIM 在 18 分鐘內(nèi)就出現(xiàn)嚴重光漂白；而 RIED-BL 在相同時間內(nèi)發(fā)光強度保持穩(wěn)定，并可持續(xù)成像41 小時。

看見細胞間線粒體轉(zhuǎn)移

RIED-BL的真正威力，在于它打開了“超分辨 + 超長時程”這扇門。

研究團隊對活 COS-7 細胞中的線粒體進行了 41 小時不間斷的超分辨觀測（分辨率 104 nm），得到了一系列此前無法獲取的動態(tài)量化結(jié)果：

• 運動規(guī)律：細胞外周的線粒體運動更快，核周區(qū)域運動慢且呈小時尺度的速度波動；

• 凋亡跡象：持續(xù)觀察約 25 小時后，線粒體數(shù)量開始下降，平均直徑增大——這可能是細胞凋亡的典型特征；

• 細胞間線粒體轉(zhuǎn)移：首次在單細胞水平完整追蹤到線粒體從一個細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞的全過程，并區(qū)分出兩種轉(zhuǎn)移模式——直接運動（軌跡近似直線，速度更高且均勻，MSD 擴散指數(shù) α ≈ 1.34）；間接運動（經(jīng)歷“初始移動 → 短暫停滯 → 定向運動”的多階段過程，軌跡更不規(guī)則，速度異質(zhì)性強，α ≈ 0.96）。

這些量化數(shù)據(jù)為理解細胞間通訊、組織修復(fù)、腫瘤微環(huán)境調(diào)控等過程提供了前所未有的動態(tài)視角。

為什么 RIED 值得關(guān)注

在超分辨熒光顯微技術(shù)的版圖里，一直存在著一個五難權(quán)衡：時空分辨率、激發(fā)深度、視場、成像時長、光毒性，往往不可兼得。RIED的出現(xiàn)，標志著一條新路徑的誕生——“用激光照亮”到“讓分子自己發(fā)光”，把超分辨顯微鏡從光學(xué)儀器的范疇，拓展成了一個化學(xué)可設(shè)計的成像平臺。

它帶來的不僅是分辨率的提升，更是一種范式變化：更深遠的意義在于：在反應(yīng)發(fā)光成像中，圖像對比度由化學(xué)反應(yīng)活性驅(qū)動——這意味著 RIED 天生的“化學(xué)成像”屬性，讓它看到的不僅僅是“分子在哪里”，更是“分子在如何反應(yīng)”。未來如果把這種機制與原位生化反應(yīng)耦合，有望打開“功能成像”的新大門。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10889-7