本文介紹了一項突破性顯微成像技術——DNA-PAINT與光學光子重分配旋轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微鏡（SDC-OPR）的結合應用。該技術成功解決了超分辨顯微成像中信號噪聲比、穿透深度、視野范圍與空間分辨率無法兼得的難題，首次在完整細胞和組織中實現(xiàn)了大視野（最大211×211μm²）、深穿透（9μm深度）與納米級分辨率（6nm平面精度）的同步優(yōu)化。研究者通過DNA折紙結構驗證技術極限，并在核孔復合體、線粒體、微管等生物樣本中驗證了其普適性，進一步應用于果蠅視網(wǎng)膜上皮發(fā)育研究，揭示了E-cadherin在細胞連接中的異質(zhì)分布，并量化了膠原蛋白分泌囊泡的分子組成。

本成果由Cecilia Zaza, Megan D. Joseph, Olivia P.L. Dalby, Rhian F. Walther, Karol Kotaral, German Chiarelli, Franck Pichaud, Guillermo P. Acuna & Sabrina Simoncelli團隊完成。研究論文《Super-resolution imaging in whole cells and tissues via DNA-PAINT on a spinning disk confocal with optical photon reassignment》于2025年5月線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01納米級分辨率驗證
研究者設計了三組間距分別為53nm、17nm和10nm的DNA折紙結構作為標尺。在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤共聚焦（SDC）下，10nm間距的對接位點無法分辨（平均定位精度10nm）。而SDC-OPR通過微透鏡陣列壓縮焦點尺寸，將光子重定向至最可能的起源位置：

實驗測得17nm與10nm間距的實際距離為（17±1）nm和（9.8±0.5）nm，定位精度（σSMLM）達1.4nm（克拉美羅下限），最小可分辨6nm間距結構。

02細胞結構的納米尺度解析
在U2OS細胞中，靶向核孔蛋白Nup96的DNA-PAINT成像清晰呈現(xiàn)了核孔復合體的八重對稱結構：

通過交叉剖面分析測得Nup96蛋白對間距為（13±2）nm，與冷凍電鏡模型一致。結合順序成像增強技術（RESI），定位精度進一步提升至3Å（埃米級）。

03大視野與深穿透能力
在53×53μm²視野下，微管網(wǎng)絡成像的定位精度在0-9μm深度保持穩(wěn)定（σSMLM<10nm）。即使視野擴大至211×211μm²（覆蓋多細胞區(qū)域），仍實現(xiàn)平均9.5nm精度：

線粒體3D成像中，通過500nm層厚掃描重構5.5μm細胞體積，膜厚度測量值為48±12nm，近基底處精度達30nm。

04組織層面的突破性應用 
在果蠅視網(wǎng)膜上皮（深度9μm）中，E-cadherin成像精度（12±1）nm首次揭示黏附連接存在三種納米簇群（230±40nm,352±90nm,470±160nm）。

膠原蛋白IV囊泡的定量PAINT（qPAINT）分析顯示，每個分泌囊泡平均包含46±27個分子：

在更深層（15μm）的蛹期視網(wǎng)膜中，仍保持26nm精度，突破傳統(tǒng)TIRF/HILO的穿透極限。

創(chuàng)新與亮點
01突破光學系統(tǒng)固有矛盾
傳統(tǒng)超分辨顯微技術長期受限于三大矛盾：
視野與分辨率矛盾：寬場照明（TIR/HILO）視野≤40×40μm²
深度與信噪比矛盾：共聚焦系統(tǒng)在>5μm深度精度驟降至>20nm
速度與精度矛盾：點掃描系統(tǒng)成像速度慢，視野�。�20×20μm²）

SDC-OPR通過微透鏡陣列實現(xiàn)兩大革新：

光子重分配機制：將發(fā)射光子重定向至起源點，等效于無限小針孔
背景噪音抑制：在擴大視野（211×211μm²）同時保持6-9nm精度

總結與展望
本研究通過DNA-PAINT與SDC-OPR的融合，建立了首個兼具納米分辨率、大視野、深穿透的超分辨成像平臺。其核心價值在于突破光學物理極限——在旋轉(zhuǎn)盤共聚焦框架內(nèi)，通過光子重分配機制將平面分辨率提升至6nm，9μm深度精度達亞10nm，視野擴大至傳統(tǒng)方法的25倍。這不僅實現(xiàn)了核孔蛋白、微管等亞細胞結構的埃米級解析，更在模式生物發(fā)育研究中首次量化了黏附蛋白納米簇與分泌囊泡的分子組成。

未來該技術可通過三方面持續(xù)突破：

探針革新：結合自淬滅染料提升成像速度與信噪比
系統(tǒng)集成：引入像散透鏡優(yōu)化3D分辨率，耦合光片照明提升穿透力
生物應用拓展：從靜態(tài)成像轉(zhuǎn)向動態(tài)觀測，如胚胎發(fā)育實時追蹤、神經(jīng)突觸可塑性研究

這項技術為生命科學提供了一把“納米標尺”，將推動從分子病理機制到精準醫(yī)療研究的范式變革。

DOI:10.1038/s41467-025-60263-w.