pan-ASLM：轴向扫描光片显微镜用于快速高分辨率成像扩增样本

看见细胞内部的不可见之处

现代生物学由一个简单的愿望驱动：真正看清细胞和组织内部发生的事情，直到维持生命的最微小结构。随着科学家在更大器官和大脑区域上追求更精细的细节，传统显微镜在速度和视野上遇到了严峻的限制。本文介绍了一种新的成像系统，称为 pan-ASLM，它允许研究者在快速扫描大尺寸、经物理扩增的生物样本的同时，仍能分辨数十纳米级别的结构——精细到能够区分线粒体的内褶或神经细胞之间的细小连接等细节。

把细胞放大以看得更清楚

现代显微镜学中最具创造性的技巧之一是对生物样本进行物理膨胀。在“扩增显微镜”中，细胞或组织被嵌入一种特殊凝胶，该凝胶吸水并均匀膨胀，将所有内部结构在每个维度上大约放大 4 到 20 倍。作者提出的变体 pan-ExM 能将样本放大约 13–24 倍，同时保持大部分蛋白质就位，然后用荧光染料标记它们。在普通光学显微镜下，这些膨胀的样本会突然显现出此前只有电子显微镜才能看到的细节。但这种成功也带来了问题：扩增后，曾经很小的组织区域变得巨大，使常规的三维成像变成耗时且数据密集的挑战。

为什么旧显微镜不够用

标准共焦显微镜逐点扫描并通过针孔去除离焦光，从而获得清晰图像，但代价是速度和视野受限。对于扩增样本，信号水平更低，需要更多平均，因此在适度区域上记录一个三维堆栈可能需要数小时。旋转盘共焦系统通过并行化过程加快速度，但它们在高放大物镜下效果最佳，这类物镜只能看到很小的区域并且深入样本的能力有限。尝试改用广视场物镜往往会牺牲分辨率，尤其是在观察轴向上，从而削弱扩增显微镜本意要带来的优势。

一种新的组织照明方式

光片荧光显微镜提供了另一条路径：它从侧面只照亮样本的一薄片，而第二个透镜以直角收集发出的光。该设计天然加快成像并提高对比度，因为大部分样本被保持在暗态。然而，经典光片必须在薄度和延展距离之间做平衡，迫使在清晰度和覆盖范围之间做出权衡。轴向扫描光片显微镜（ASLM）通过快速移动一片非常薄的光片穿过样本并将该运动与高速相机的读出匹配来解决这一问题。在这项工作中，作者构建了 pan-ASLM，这是一台从头为大型水基扩增样本定制的 ASLM 仪器，采用精心选择的透镜、校准的高速音圈来移动光片，以及一台宽视场高像素数的相机。

更清晰、更快速的细胞与器官视图

经测试，pan-ASLM 在三个维度上提供近乎相等的清晰度，在扩增样本中具有约 25–30 纳米的有效分辨率。它以高达每秒 20 帧的速度成像 640 × 640 微米的区域，实现了大约 1200 倍的成像速度、七倍的视野以及比典型用于类似样本的共焦显微镜约两倍的轴向分辨率。团队展示了这些性能不仅是技术指标：在扩增的人类细胞中，他们清晰分辨出线粒体折皱、核仁的层状结构以及环状的核孔。在小鼠肾脏组织中，他们捕捉到精细的刷状缘和滤过单位中的脆弱足突。在小鼠大脑皮层中，他们拼接多个图块重建出毫米尺度的体积，其中单个突触——神经元之间的连接——无论方向如何都保持清晰定义。

为重大生物学问题打开大门

通过将样本扩增与专门构建的光片显微镜相结合，pan-ASLM 将过去耗时数小时的繁琐任务变成了实用的分钟级测量，同时不放弃纳米级细节。这一转变使得绘制器官结构、追踪神经连接或在大面积组织中定量微小结构的形状和蛋白含量变得现实可行。随着相机、激光和染料的不断改进，作者预见到更大、更快的研究将出现，并与自动化图像分析和机器学习相结合。对非专业人士而言，关键信息是：我们正进入一个时代，科学家可以用光学工具在广阔区域内以接近电子显微镜的细节常规地探索细胞和大脑的内部景观，而这些工具终于足够快速且灵活以应对挑战。

引用: Mekbib, H.T., Andersen, L.P., Zhang, S. et al. pan-ASLM: Axially Swept Light Sheet Microscopy for Fast and High-Resolution Imaging of Expanded Samples. npj Imaging 4, 16 (2026). https://doi.org/10.1038/s44303-026-00141-2

关键词: 扩增显微镜, 光片成像, 超分辨率, 脑图谱, 组织超微结构