活体介观成像属于光学显微成像技术领域，其核心价值在于在生命科学与医学研究中实现哺乳动物体内大规模细胞群体动态的在体可视化，为免疫学、细胞生物学和病理学等方向揭示疾病发生发展的细胞间相互作用机制提供直接观测手段。

现有主流在体成像手段包括共聚焦显微镜、双光子激发荧光显微镜、光片显微镜和介观显微镜等，分别可提供高分辨率光学切片、深层组织穿透、低光毒性快速体积成像或器官级大视场细胞群体观测。然而，这些方法始终受限于空间分辨率、视场范围、成像速度与样本活性之间的固有权衡，尤其在高数值孔径条件下，难以同时实现毫米级视场、亚细胞分辨率与毫秒级三维成像速度的统一。

计算成像与扫描光场显微技术为突破上述权衡提供了新兴路径，其可通过记录四维空间角度信息实现数字自适应光学校正，并以扩展景深降低光毒性，支持长时间在体成像。但高数值孔径光学系统固有的像差敏感性、浅景深导致的散射组织背景荧光污染，以及介观尺度下每秒数百亿体素级数据的实时处理，仍是该技术路线面临的核心工程瓶颈。

研究团队设计了一款名为Kunlun的高数值孔径介观物镜，并据此构建了共聚焦体积介观显微镜RUSH3D-HR，数值孔径达1.05，在2.7×2.0×0.04 mm³ 的成像体积内实现约390 nm 横向分辨率与700 nm 轴向分辨率，成像速度为5个体积每秒，有效数据吞吐量达700亿体素每秒，光毒性较传统共聚焦降低两个数量级以上。

RUSH3D-HR的原理

RUSH3D-HR的表征述

该成果发表于《Nature Biotechnology》：High numerical aperture confocal volumetric mesoscope reveals mesoscale subcellular dynamics in vivo，2026年7月在线发表。

RUSH3D-HR 采用非远心全光路优化设计，将像差校正分布于物镜与管透镜之间，在 2.8 mm 直径视场内实现均匀像差分布，工作光谱覆盖 440 nm 至 700 nm，场曲与几何畸变控制在 2% 以内，斯特列尔比全程超过 0.8，并采用折射率 1.406 的硅油作为浸没介质以匹配生物组织。例如，线共焦扫描光场策略将有效轴向景深扩展至约 40 μm，约为相同数值孔径传统共聚焦的 50 倍；波动光学数字自适应光学将全视场划分为 35 个子区域进行多点像差校正，校正后横向分辨率标准差仅 48 nm；自监督去噪在极低光子条件下可提升信噪比约 18 dB；八 GPU 并行重建较传统反卷积算法提速超过 1000 倍。

RUSH3D-HR 将高数值孔径物镜、共聚焦扫描光场采集框架与端到端自动化深度学习处理流水线集成于紧凑平台，构建了支持多光谱通道的在体三维介观成像体系。在小鼠背部皮肤伤口愈合模型中，系统连续成像超过 10 小时，追踪了 19992 个中性粒细胞的长距离集体迁移轨迹，揭示了其在真皮脂肪组织基质中形成的网状迁移模式及伤口前的局部聚集行为；在对乙酰氨基酚诱导的急性肝衰竭模型中，三色成像同时记录中性粒细胞、巨噬细胞与血管，发现迁移体生成量较野生型增加约 6 倍，迁移体运动速度从 0.13 μm/s 升至 0.29 μm/s，且超过 70% 的迁移体出现形成后能量富集；在脂多糖诱导的小鼠脾脏炎症模型中，5 小时内追踪超过 6000 个中性粒细胞，发现瞬态涌现群聚行为，群聚频率从对照组约 2 次升至约 20 次，每次持续 20 至 180 分钟，空间覆盖 1000 至 4000 μm²，并以此为介观生物标志物验证了足三里穴位电针可使群聚事件减少超过 5 倍。

小鼠背侧皮肤伤口愈合过程中长距离集体中性粒细胞迁移的中尺度长期跟踪

中尺度下肝衰竭期间迁移体功能的定量研究

小鼠脾脏炎症过程中中性粒细胞大规模瞬态集群行为

足三里（ST36）电针通过介尺度生物标志物验证可减轻小鼠脾脏早期炎症

RUSH3D-HR 为连接单细胞内微尺度亚细胞动态与器官级宏观群体功能提供了在体介观成像平台，将活体实验效率提升了数个数量级。研究团队下一步计划引入近红外荧光标记或双光子光场激发框架以突破单光子组织散射的穿透深度限制，结合结构照明实现超分辨介观在体成像，并拓展高光谱成像与空间转录组学联合分析，推动其在免疫疾病、神经疾病与心血管疾病等场景中的转化应用。

论文信息

声明：本文仅用作学术目的。 

Lu, Z., Wang, M., Chen, W. et al. High numerical aperture confocal volumetric mesoscope reveals mesoscale subcellular dynamics in vivo. Nat Biotechnol (2026). 

DOI:https://doi.org/10.1038/s41587-026-03231-z