近期，中国科学院生物物理研究所李栋课题组与美国霍华德休斯医学研究所Eric Betzig博士、Jennifer Lippincott-Schwartz博士合作发展了一种新型超分辨显微成像技术——掠入射结构光超分辨显微镜（GI-SIM），并利用该技术对活细胞内的生理过程进行高速、多色、长时程、超分辨成像，发现了多种细胞器间相互作用的新行为。

GI-SIM首次将掠入射照明与结构光超分辨技术结合，优化了二维超分辨成像的深度，使得照明深度与物镜的景深相匹配，既避免了宽场模式下背景荧光的产生，又可以完整观察细胞内三维起伏的结构和细胞器，图1对比了不同照明模式下的成像效果。该课题组通过深度优化控制系统精度，并自主设计了偏振旋转半玻片，使得GI-SIM在97nm分辨率和512×136像素视场范围下达到了89幅每秒的成像速度。此外，利用李栋课题组和中国科学技术大学储开芹课题组联合开发的差值重建算法（SIMILR; Ma et al., Journal of Biophotonics, 2017），可将GI-SIM的等效帧率提高3倍，最终达到266幅每秒。

图1 不同照明方式的成像效果对比：（左）全内反射照明；（中）宽场照明；（右）掠入射照明。

与李栋研究员之前开发的全内反射结构光照明超分辨成像技术（TIRF-SIM; Li et al., Science, 2015）相比，GI-SIM的成像深度以及所产生的信号量都提高了10倍，可以连续成像近万幅超分辨图像；与传统共聚焦或转盘共聚焦显微镜相比，GI-SIM可提供2倍的空间分辨率以及10倍的成像速度；与其它超分辨成像技术相比，在细胞尺寸的视场范围下，GI-SIM可提供10倍以上的成像速度，以及10-100倍的成像时程。GI-SIM实现了对细胞内多种细胞器动态的最优化二维超分辨成像。图2展示了GI-SIM技术同时观察5种不同细胞器的精细结构及其动态相互作用行为。

图2 使用 GI-SIM技术同时观察5种细胞器的精细结构及其相互作用。绿色为线粒体内嵴；红色为线粒体DNA，（线粒体DNA在内嵴中的分布情况可被清晰分辨）；紫色为内质网；黄色为溶酶体；蓝色为过氧化物酶体。

借助GI-SIM技术，该课题组进一步发现了多种细胞器相互作用的新行为，拓展了细胞生物学的研究方向。例如：

（1）管状内质网的三种新型延伸方式：微管解聚端牵引延伸、搭便车延伸和非依赖微管的延伸。

（2）线粒体与内质网的相互作用影响线粒体的分裂与融合。

（3）多色GI-SIM成像发现溶酶体-内质网的相互作用对调控溶酶体在细胞内的动态运输和分布起关键作用。

（4）过去的研究仅发现内质网可通过融合来改变其网络结构，该研究首次观测到处于运动状态的溶酶体可引起管状内质网的瞬间断裂。

（5）首次在哺乳动物细胞中证实不同种类细胞器间存在广泛的“搭便车”（Hitchhiking）现象，线粒体、内质网等细胞器的形态改变和迁移可通过搭载到其它正在运动的细胞器上实现，而无需其直接招募马达蛋白。

该成果以Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales为题于2018年10月25日在线发表在Cell [175, 5: 1430-1442 (2018)]上，Nature杂志等媒体进行了亮点评述。论文第一作者为中国科学院生物物理所李栋课题组的郭玉婷和李迪，领衔通讯作者为李栋研究员，共同通讯作者美国霍华德休斯医学研究所的Eric Betzig博士和Jennifer Lippincott-Schwartz博士。中国科学院遗传与发育生物学研究所刘佳佳课题组、杜克大学Dan Kiehart课题组合作参与了本课题。此工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器等项目的资助。

论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31308-4