浙大×哈工大合作Nature：超分辨化学显微术，长时间看清活细胞中的“纳米世界”

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

当我们试图在纳米尺度上观察活细胞内部的动态过程时，传统超分辨荧光显微镜一直面临着一个根本矛盾：要想“看清楚”，就需要强大的激光激发；但激光一旦打上去，光毒性和光漂白就会随之而来，细胞活不久，从而导致“看不长”。

核心思路：让“化学反应”代替“激光”来照亮细胞

传统荧光显微镜的逻辑是：用激光激发荧光探针 → 探针发射荧光 → 相机采集。这一机制天然受困于光毒性。

而电化学发光（ECL）、化学发光（CL）和生物发光（BL）这一类“反应激发发光”走的是另一条路：发光由化学反应本身驱动，因此不需要任何外部光源。

• ECL：由电极上的电化学反应触发，天然对“电极附近的界面”高度敏感；

• CL：反应物在溶液中扩散并发生反应，可在整个成像体积内均匀激发；

• BL：由酶促反应在活体内催化产生，生物相容性极佳。

这三种发光机制共享一个诱人特性——零光激发背景、高信噪比。但过去几十年里，它们一直被同一个短板卡住——光子预算极低。传统方法往往要曝光几十秒才能攒出一张图，时空分辨率远远够不上“超分辨”。

该研究提出的 RIED 方法，想要解决的，正是这个“低光子通量 vs 高分辨率”的矛盾。

RIED 怎么做：把每一次“闪烁”都算进分辨率里

RIED 的核心洞察是：反应发光本质上是由一个个独立的化学反应事件组成的动态过程，每个事件都是一次高对比度的“闪烁”。只要把这些“闪烁”的时空统计特征抓出来，就能在计算上把分辨率“挤”上去。

整个流程可以拆成四步——

1. 时空采集：用高速相机以短曝光（可低至 20 毫秒）连续拍摄图像序列，记录每一个发光事件的时空轨迹。

2. 熵图加权：引入空间熵图量化每个像素的“信息含量”，用来补偿 ECL 发光在空间和时间上的异质性，减少重建不连续。

3. 时空互相关：对光子事件序列做互相关分析，剔除被多个重叠发光体主导的像素，从而把点扩散函数（PSF）的宽度压窄。

4. 稀疏反卷积：最后用带连续性和稀疏性双重约束的反卷积进一步锐化图像，在低光子预算下把分辨率和对比度拉满。

模拟数据验证表明，这套流程能在低光子、异质性发光条件下真实重建出 Ground Truth 结构，且引入的伪影有限。

三类反应发光，全部提升至 ~100 nm 超分辨

电化学发光（ECL）：先把“光量”提升 1000 倍

要在细胞内做 ECL 成像，第一步是解决“光子不够”的问题。研究团队把常用的共反应物 TPrA 换成了 Bis-tris，在优化条件下将 ECL 细胞成像亮度提升了约 1000 倍，使得 20 毫秒曝光下就能清晰看到微管丝。

在此基础之上，RIED-ECL 取得了多项突破——

• 横向分辨率 97 nm，与荧光 SACD 超分辨结果高度一致；

• 通过步进式电压调控同步改变激发深度，实现 3D 超分辨，可分辨轴向 235 nm、横向 116 nm 间隔的微管；

• 在大视场（0.53 × 0.53 mm²）下完成高通量超分辨成像，平均 rFRC 分辨率 153 nm；

• 检测灵敏度惊人：对癌胚抗原的单细胞成像中，RIED-ECL 的检测阈值比荧光 SACD 降低了 8 倍——这归功于 ECL 完全消除了背景荧光。

化学发光（CL）：均匀激发成就 3D 成像

CL 的优势在于反应物在溶液中均匀扩散，可实现整个体积内的均一激发。研究团队采用基于 BRET 的 GeNL 探针（NanoLuc + mNeonGreen），在固定 COS-7 细胞中成像线粒体，通过步进扫描获得 3D 分布：

• 侧向分辨率 102 nm，轴向分辨率 221 nm；

• 重建结果与荧光 SACD 高度吻合。

生物发光（BL）：活细胞里的“超长待机”

BL 发生在活细胞内，无需激光、无光毒性。研究团队用 GeNL 探针在活 COS-7 细胞中成功对微丝、内质网、微管等细胞器做了超分辨成像，分辨率达到 117 nm，远超传统衍射极限的 BL 成像。

与活细胞荧光超分辨“标杆”技术 SIM 的正面对比更直观地说明了问题：在连续激光照射下，SIM 在 18 分钟内就出现严重光漂白；而 RIED-BL 在相同时间内发光强度保持稳定，并可持续成像 41 小时。

看见细胞间线粒体转移

RIED-BL 的真正威力，在于它打开了“超分辨 + 超长时程”这扇门。

研究团队对活 COS-7 细胞中的线粒体进行了 41 小时不间断的超分辨观测（分辨率 104 nm），得到了一系列此前无法获取的动态量化结果：

• 运动规律：细胞外周的线粒体运动更快，核周区域运动慢且呈小时尺度的速度波动；

• 凋亡迹象：持续观察约 25 小时后，线粒体数量开始下降，平均直径增大——这可能是细胞凋亡的典型特征；

• 细胞间线粒体转移：首次在单细胞水平完整追踪到线粒体从一个细胞转移到另一个细胞的全过程，并区分出两种转移模式——直接运动（轨迹近似直线，速度更高且均匀，MSD 扩散指数 α ≈ 1.34）；间接运动（经历“初始移动 → 短暂停滞 → 定向运动”的多阶段过程，轨迹更不规则，速度异质性强，α ≈ 0.96）。

这些量化数据为理解细胞间通讯、组织修复、肿瘤微环境调控等过程提供了前所未有的动态视角。

为什么 RIED 值得关注

在超分辨荧光显微技术的版图里，一直存在着一个五难权衡：时空分辨率、激发深度、视场、成像时长、光毒性，往往不可兼得。RIED 的出现，标志着一条新路径的诞生——“用激光照亮”到“让分子自己发光”，把超分辨显微镜从光学仪器的范畴，拓展成了一个化学可设计的成像平台。

它带来的不仅是分辨率的提升，更是一种范式变化：更深远的意义在于：在反应发光成像中，图像对比度由化学反应活性驱动——这意味着 RIED 天生的“化学成像”属性，让它看到的不仅仅是“分子在哪里”，更是“分子在如何反应”。未来如果把这种机制与原位生化反应耦合，有望打开“功能成像”的新大门。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10889-7

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