DNA-PAINT与光学光子重分配旋转盘共聚焦显微镜的结合应用

本文介绍了一项突破性显微成像技术——DNA-PAINT与光学光子重分配旋转盘共聚焦显微镜（SDC-OPR）的结合应用。该技术成功解决了超分辨显微成像中信号噪声比、穿透深度、视野范围与空间分辨率无法兼得的难题，首次在完整细胞和组织中实现了大视野（最大211×211μm²）、深穿透（9μm深度）与纳米级分辨率（6nm平面精度）的同步优化。研究者通过DNA折纸结构验证技术极限，并在核孔复合体、线粒体、微管等生物样本中验证了其普适性，进一步应用于果蝇视网膜上皮发育研究，揭示了E-cadherin在细胞连接中的异质分布，并量化了胶原蛋白分泌囊泡的分子组成。

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团队完成。研究论文《Super-resolution imaging in whole cells and tissues via DNA-PAINT on a spinning disk confocal with optical photon reassignment》于2025年5月线发表。

重要发现
01纳米级分辨率验证
研究者设计了三组间距分别为53nm、17nm和10nm的DNA折纸结构作为标尺。在传统旋转盘共聚焦（SDC）下，10nm间距的对接位点无法分辨（平均定位精度10nm）。而SDC-OPR通过微透镜阵列压缩焦点尺寸，将光子重定向至最可能的起源位置：

实验测得17nm与10nm间距的实际距离为（17±1）nm和（9.8±0.5）nm，定位精度（σSMLM）达1.4nm（克拉美罗下限），最小可分辨6nm间距结构。

02细胞结构的纳米尺度解析
在U2OS细胞中，靶向核孔蛋白Nup96的DNA-PAINT成像清晰呈现了核孔复合体的八重对称结构：

通过交叉剖面分析测得Nup96蛋白对间距为（13±2）nm，与冷冻电镜模型一致。结合顺序成像增强技术（RESI），定位精度进一步提升至3Å（埃米级）。

03大视野与深穿透能力
在53×53μm²视野下，微管网络成像的定位精度在0-9μm深度保持稳定（σSMLM<10nm）。即使视野扩大至211×211μm²（覆盖多细胞区域），仍实现平均9.5nm精度：

线粒体3D成像中，通过500nm层厚扫描重构5.5μm细胞体积，膜厚度测量值为48±12nm，近基底处精度达30nm。

04组织层面的突破性应用 
在果蝇视网膜上皮（深度9μm）中，E-cadherin成像精度（12±1）nm首次揭示黏附连接存在三种纳米簇群（230±40nm,352±90nm,470±160nm）。

胶原蛋白IV囊泡的定量PAINT（qPAINT）分析显示，每个分泌囊泡平均包含46±27个分子：

在更深层（15μm）的蛹期视网膜中，仍保持26nm精度，突破传统TIRF/HILO的穿透极限。

创新与亮点
01突破光学系统固有矛盾
传统超分辨显微技术长期受限于三大矛盾：
视野与分辨率矛盾：宽场照明（TIR/HILO）视野≤40×40μm²
深度与信噪比矛盾：共聚焦系统在>5μm深度精度骤降至>20nm
速度与精度矛盾：点扫描系统成像速度慢，视野小（20×20μm²）

SDC-OPR通过微透镜阵列实现两大革新：

光子重分配机制：将发射光子重定向至起源点，等效于无限小针孔
背景噪音抑制：在扩大视野（211×211μm²）同时保持6-9nm精度

总结与展望
本研究通过DNA-PAINT与SDC-OPR的融合，建立了首个兼具纳米分辨率、大视野、深穿透的超分辨成像平台。其核心价值在于突破光学物理极限——在旋转盘共聚焦框架内，通过光子重分配机制将平面分辨率提升至6nm，9μm深度精度达亚10nm，视野扩大至传统方法的25倍。这不仅实现了核孔蛋白、微管等亚细胞结构的埃米级解析，更在模式生物发育研究中首次量化了黏附蛋白纳米簇与分泌囊泡的分子组成。

未来该技术可通过三方面持续突破：

探针革新：结合自淬灭染料提升成像速度与信噪比
系统集成：引入像散透镜优化3D分辨率，耦合光片照明提升穿透力
生物应用拓展：从静态成像转向动态观测，如胚胎发育实时追踪、神经突触可塑性研究

这项技术为生命科学提供了一把“纳米标尺”，将推动从分子病理机制到精准医疗研究的范式变革。

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