一种结合QIS相机和开普勒望远镜启发的光学设计的新型显微镜技术
2025-12-26 来源:本站 点击次数:33生物发光成像作为荧光成像的有力替代方案，因其无需激发光源、背景低、光毒性小等优势，在活细胞研究中具有巨大潜力。然而，生物发光信号强度弱，限制了其广泛应用。传统生物发光显微镜通常牺牲空间分辨率、视场和动态范围来提升灵敏度，主要受限于电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机的性能。近期，量子图像传感器（QIS）技术的出现为低光成像带来了新机遇。本文介绍了一种结合QIS相机和开普勒望远镜启发的光学设计的新型显微镜——“QIScope”。该系统在保持较高信噪比的同时，显著提升了空间分辨率、视场和动态范围，使生物发光成像能够用于挑战性活细胞实验，如同时监测细胞内外的囊泡动态或低丰度蛋白质的动力学过程。这一突破为长时程、高精度活细胞成像提供了新工具。
本研究成果由Ruyu Ma、Luciano M. Santino、Tomás Chobola、Niklas Armbrust、Julian Geilenkeuser、Sapthagiri Sukumaran、Zhizi Jing、Anastasia Levkina、Korneel Ridderbeek、Tingying Peng、Dong-Jiunn Jeffery Truong、Sebastian Doll、Gil Gregor Westmeyer和Jian Cui等研究者共同完成。论文题为“A telescopic microscope equipped with a quanta image sensor for live-cell bioluminescence imaging”，于2025年《Nature Methods》期刊上在线发表。该研究通过创新光学设计解决了生物发光成像的长期瓶颈，为生物医学研究开辟了新路径。
重要发现
01核心贡献：QIS相机的灵敏度超越传统探测器
研究团队首先对QIS相机与主流科学相机进行了系统基准测试。比较对象包括科学互补金属氧化物半导体（sCMOS）相机和EMCCD相机，这些相机长期以来被视为低光成像的金标准。实验在相同的自制荧光显微镜平台上进行，通过中性密度滤光片调节光子通量 per pixel，确保公平比较。结果显示，在相同光子条件下，QIS相机的信噪比（SNR）达到EMCCD的4.5倍、sCMOS的近10倍。这一优势在量子点标记的小鼠胚胎成纤维细胞成像中得到验证，QIS相机能清晰分辨弱信号结构，而传统相机则出现模糊或噪声干扰。
然而，QIS相机的小像素尺寸和有限传感器面积带来了新挑战：直接替换到传统显微镜会导致光子通量 per pixel 大幅下降，视场严重缩小。例如，QIS传感器面积仅为20.25 mm²，比sCMOS（224.28 mm²）小10倍以上，比EMCCD（67.11 mm²）小3倍以上。这表明，单纯使用QIS相机不足以发挥其潜力，必须重新设计光学系统以匹配其特性。
02创新光学设计：望远镜启发的显微镜架构为解决上述问题，研究团队受开普勒望远镜启发，开发了“QIScope”。传统生物发光显微镜通常将物镜和管镜紧密放置以最大化光传输，但这种方法在降低有效放大倍数（M_eff）时会引发视场切割效应。QIScope通过在物镜和管镜之间插入望远镜组（由两片消色差透镜构成），实现了图像尺寸的缩小（M_eff=2.6×，相当于15.4倍缩小），同时避免视场损失。这种设计使图像更紧凑地聚焦于QIS传感器上，提升光子通量 per pixel，而不牺牲视场。
与商业顶级生物发光显微镜（基于EMCCD）的直接对比显示，QIScope的视场扩大3.6倍（可视面积提升13倍），空间分辨率提高1.77倍（理论值1.89倍），且信噪比提升31%。调制传递函数（MTF）分析证实了分辨率的优势。此外，QIScope的动态范围比EMCCD系统高4.5倍，避免了信号饱和问题，使其能同时捕捉强弱信号区域。
03活细胞生物发光成像应用验证研究团队将QIScope应用于多种活细胞模型，验证其性能。首先，在微管相关蛋白tau（MAPT）外显子10中表达的弱生物发光报告系统（EXSISERS）成像中，QIScope成功捕获了低丰度NanoLuc荧光素酶信号，信噪比优于传统系统，且能清晰分辨亚细胞结构。
更重要的是，QIScope实现了细胞外囊泡（EVs）的高质量成像。EVs是细胞间通信的关键载体，但其异质性（尺寸从纳米到微米、动态范围广）使成像极具挑战。在表达NLuc-CD63（外泌体标记）的小鼠胚胎成纤维细胞中，QIScope能清晰分辨细胞外线性轨迹中的小EVs，并跟踪其扩散动态（时间分辨率达2秒），而传统系统仅能检测到大EVs。通过去噪算法（如Noise2Info）进一步提升了图像质量。此外，QIScope的长时程成像能力（超过18小时）避免了光毒性和探针光漂白，适用于持续监测。
在低丰度蛋白质成像方面，QIScope成功记录了PTEN诱导激酶1（PINK1）的线粒体易位过程。PINK1在受损线粒体上稳定表达，但其基础水平极低。传统显微镜难以分辨其亚细胞分布变化，而QIScope结合高分辨率物镜（100×油镜）清晰显示了PINK1从胞质到线粒体的转运，为神经退行性疾病研究提供了新洞察。
创新与亮点
01突破成像难题：兼顾灵敏度、分辨率与视场
生物发光成像的核心难题在于如何平衡灵敏度、空间分辨率和视场。传统系统往往以牺牲某一参数为代价，例如EMCCD相机虽灵敏度高，但动态范围窄、易饱和；sCMOS相机虽分辨率高，但低光性能不足。QIScope通过量子图像传感器的高转换增益和低噪声特性，实现了单光子级别检测，同时望远镜光学设计解决了小传感器带来的视场限制。这一创新使系统在信噪比适度提升的基础上，大幅突破分辨率与视场瓶颈，为活细胞成像提供了“鱼与熊掌兼得”的解决方案。
02技术价值：多模态集成与长时程成像优势
QIScope的模块化设计允许轻松集成其他成像模式。例如，通过在望远镜组中插入分光镜和滤光片，实现了生物发光与荧光双模态成像。实验显示，同一细胞中CD63标记的EVs（生物发光）与MitoTracker标记的线粒体（荧光）可被同时监测，且无背景干扰。这种多模态能力扩展了应用场景，如研究代谢状态或药物响应下的细胞器互作。
相比荧光成像，生物发光在低丰度目标检测中展现出显著优势。在诱导表达Gamillus-NLuc融合蛋白的细胞中，荧光信号在低表达水平时被自体荧光掩盖，而生物发光信号仍清晰可辨。此外，长时程成像中，荧光探针易光漂白并引发光毒性，导致细胞形态改变；生物发光则稳定性高，支持超过18小时的连续观测，适用于动态过程研究（如PINK1易位）。
03生物医学应用潜力QIScope的技术突破使其在多个领域具有广泛应用价值。例如，在细胞外囊泡研究中，可实时跟踪EVs的生成、释放与摄取，为癌症转移或免疫调节提供新线索；在神经科学中，长时程监测低丰度蛋白质动力学有助于解析帕金森病等病理机制。此外，系统的高视场兼容大样本（如类器官或组织），结合波长多重分析或相位对比等扩展功能，有望推动活体水平成像。
总结与展望
本研究开发的QIScope系统通过融合量子图像传感器与望远镜光学设计，成功提升了生物发光成像的性能，使其在灵敏度、分辨率、视场和动态范围上均优于传统方法。该系统不仅解决了低光成像的长期挑战，还通过多模态集成和长时程稳定性，为活细胞研究提供了强大工具。未来，随着更亮荧光素酶底物（如氟呋喃嗪）的应用，QIScope的信噪比和分辨率可进一步提升；同时，其开放架构便于整合单光子阵列探测器或新一代QIS相机，拓展时间飞行成像等新功能。展望未来，QIScope有望成为生物发光成像的标准平台，促进其在精准医疗、药物开发和基础生物学中的广泛应用，最终实现与蛋白质组学或电镜等技术的无缝融合。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Ma R, Santino LM, Chobola T, Armbrust N, Geilenkeuser J, Sukumaran S, Jing Z, Levkina A, Ridderbeek K, Peng T, Truong DJ, Doll S, Westmeyer GG, Cui J. A telescopic microscope equipped with a quanta image sensor for live-cell bioluminescence imaging. Nat Methods. 2025 Jun;22(6):1321-1330.
DOI:10.1038/s41592-025-02694-3.