NBT：国产显微镜打破“不可能三角”，清华大学戴琼海等团队发现可以看清活体免疫细胞群集行为，验证电针免疫调节机制

哺乳动物体内数以百万计的细胞和细胞器持续迁移、交互作用并协同运作，形成复杂的群体动力学，从而驱动活体哺乳动物器官在不同生理或病理状态下的多样化功能，这些过程难以在体外重现。

近年来，介观尺度活体荧光显微镜技术的发展使得在自然状态下以单细胞分辨率研究哺乳动物器官内大规模细胞间交互作用成为可能，推动了多种生物学应用。然而，许多疾病的进展，尤其是在早期阶段，除了涉及整个器官中涌现的协调性细胞反应外，还伴随着复杂的亚细胞动力学。

为了基础研究和药物开发而全面理解这些瞬时的介观免疫动力学，需要以亚微米分辨率、毫米级视场（FOV）和低光毒性进行高保真、高通量的体积成像，这由于高数值孔径（NA）的要求而仍然是一项系统性的工程挑战。

数值孔径描述了光收集角度，是显微镜的基本参数，决定了由衍射极限设定的集光能力和空间分辨率。限制高数值孔径介观显微镜实现大视场和高分辨率的发展及应用存在三项技术挑战。首先，高数值孔径成像系统对源于不完善的透镜设计与制造或组织中折射率非均匀分布的光学像差更为敏感。

因此，现有全数值孔径大于1.0的物镜的视场通常小于1毫米。虽然自适应光学可以校正光学像差，但通常耗时，并且需要复杂的系统来对空间非均匀像差进行多点校正。

其次，高数值孔径导致景深（DOF）较浅，通常需要对大三维（3D）体积进行密集轴向扫描，这还可能因共聚焦显微镜中离焦区域的不必要激发而引入高光毒性。单物镜斜光片技术能够实现快速体积成像并降低光毒性；然而，它们仍无法在毫秒级速度下提供毫米级高数值孔径成像。

最后，浅景深会导致散射组织中背景荧光的强烈污染，降低体内成像的对比度和保真度。尽管计算成像领域的最新进展为解决这些问题提供了可能，但要同时解决这些问题，以在自然状态下可视化介观视场范围内的细胞器级亚细胞结构，在技术上仍然不可实现。

图1.RUSH3D-HR原理（摘自

Nature Biotechnology

）

在此，作者提出一种数值孔径为1.05的共聚焦体积介观显微镜，命名为RUSH3D-HR，其能够以5 VPS（体积每秒）的速度，在2.7 × 2.0 × 0.04 mm³的大体积范围内，以低光毒性实现亚细胞分辨率（横向约390 nm，轴向约700 nm）。

与先前在高数值孔径像差敏感性、光毒性和背景污染方面存在困难的介观系统不同，RUSH3D-HR通过三大核心进展的协同集成解决了这些挑战。首先，作者设计的高数值孔径介观物镜（命名为昆仑）将数值孔径扩展至1.05，覆盖2.8毫米视场，以实现大的横向空间带宽积（SBP；方法），并结合波光学数字自适应光学（wDAO）对像差进行计算校正。

与现有类似数值孔径的介观物镜相比，昆仑的横向空间带宽积提高了一个数量级；此外，与具有相似横向空间带宽积的物镜相比，昆仑的数值孔径约高出两倍。其次，作者采用扫描光场框架实现并行高速体积采集，同时最小化光毒性。第三，作者的线共聚焦扫描光场策略在延伸的40微米轴向覆盖范围内提供稳健的光学切片和背景抑制，有效克服了高数值孔径光学系统的浅景深瓶颈，确保物镜横向空间带宽积的全部潜力得以实现。

为应对巨大的数据吞吐量（每秒700亿体素），作者开发了一个全自动并行化深度学习流水线，其中集成了去噪、多点像差校正、运动伪影抑制和三维重建。多种应用实例展示了RUSH3D-HR的多功能性和稳健性。

在小鼠皮肤中，作者追踪了伤口愈合过程中数小时内细胞的集体长距离迁移和形态多样性。在对乙酰氨基酚（APAP）诱导的急性肝衰竭模型中，作者观察了亚细胞水平的中性粒细胞-巨噬细胞交互作用，并发现迁移体生成和中性粒细胞运动性显著增加，证明了在单次实验中即可高效发现罕见免疫事件，从而大幅减少了体内实验所需的动物数量。

通过监测脂多糖（LPS）诱导炎症期间小鼠脾脏中超过6000个中性粒细胞数小时，作者发现了随机分布于整个脾脏的中性粒细胞发生瞬时涌现性聚集行为。利用这一介观水平的炎症生物标志物，作者验证了针刺足三里（ST36）电针（EA）能有效抑制炎症，为外周免疫调节提供了直接证据。

这些结果突显了RUSH3D-HR在揭示疾病进展中介观尺度细胞间涌现动态方面的广泛用途，其应用涵盖细胞生物学、免疫学和病理学。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41587-026-03231-z