剑桥团队简化单分子定位显微镜，实现高速实时成像！

【研究背景】

单分子定位显微镜（SMLM）是一种超分辨率显微镜技术，广泛应用于生物学领域，用于研究细胞结构，能够突破衍射极限。然而，单分子取向定位显微镜（SMOLM）作为SMLM的多维变体，除了测量单个荧光分子的精确空间位置外，还可以测量其取向。这一能力提供了关于分子如何在其环境中组织、取向、旋转和摆动的信息，对于生物系统具有重要意义。然而，SMOLM的广泛应用受到复杂实验设备和计算上昂贵的图像分析方法的限制，降低了其在生物成像领域的可及性。

近日，来自英国剑桥大学Ezra Bruggeman，Steven F. Lee教授课题组的研究团队在SMOLM领域取得了新进展，提出了一种简化的SMOLM方法，称为POLCAM。该方法基于偏振检测，使用偏振相机，可以轻松地在任何宽场荧光显微镜上实现。该团队的创新设计通过对光学设备的优化和对斯托克斯参数估计算法的开发，显著提高了单分子取向成像的速度，达到现有技术的1000倍以上，从而能够近乎实时地确定分子的各向异性。此外，为了促进POLCAM的应用，研究团队还开发了开源的图像分析软件和详细的硬件安装与软件使用指导网站。

利用POLCAM，研究团队成功地研究了α-突触核蛋白纤维、哺乳动物细胞的肌动蛋白细胞骨架、成纤维样细胞以及活人T细胞的质膜。这一新方法的提出，不仅简化了传统SMOLM的实验流程，还通过降低设备复杂性和提高数据处理速度，为生物学中的分子取向研究提供了新的强大工具。POLCAM的实施，将为各类生物应用中的分子取向研究带来更大的便利和可能性。

【仪器解读】

本文通过对偏振成像原理的深入研究，首次研发了POLCAM偏振相机（POLCAM），这是一种集成了简单实现和易用性的创新型显微成像仪器。具体来说，POLCAM结合了宽场荧光显微镜和偏振成像技术，使得研究人员能够在无标记的情况下获取样本的多重信息，进而表征并发现了样本内部的微观结构和动态过程。这一仪器的开发，不仅为生物学研究提供了全新的视角，也为未来的多重成像技术的应用奠定了基础，最终揭示了在复杂生物系统中，细胞内分子的行为与相互作用。

本文针对荧光成像与无标记显微技术之间的整合现象，通过对不同类型样本的综合分析，得到了多种生物样本在不同照明模式下的偏振成像特征。这些特征不仅提高了对生物样本内部结构的分辨率，还揭示了细胞内分子在不同生理条件下的动态变化。在此基础上，通过偏振相机与其他表征手段（如荧光成像、超分辨成像等）的结合，着重研究了细胞骨架在不同刺激条件下的响应机制及其与细胞功能的关系。

此外，研究还展示了POLCAM在偏振成像方面的独特优势，使其能够在荧光标记和无标记技术之间实现有效的互补。这种结合不仅使得样本的成像过程更加高效，同时也为研究者提供了丰富的生物学信息，拓展了研究的深度和广度。最终，这项工作不仅为理解细胞内复杂的生物过程提供了强有力的工具，也为将来相关技术的开发与应用指明了方向。

偏振相机的单分子成像

参考文献：Bruggeman, E., Zhang, O., Needham, LM. et al. POLCAM: instant molecular orientation microscopy for the life sciences. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02382-8