1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)提出，光学显微镜受限于光的衍射效应和光学系统的有限孔径，存在分辨率极限，其数值约为200 nm。超分辨显微成像技术的诞生，却打破了这一极限。2014年的诺贝尔化学奖，就授予了三位在超分辨荧光成像技术领域做出突出贡献的科学家，可见该技术之重要性。那么，我国的超分辨显微成像技术发展到什么阶段？主要用于科学研究的超分辨显微成像技术对于人民大众究竟有何意义？带着这些问题，仪器信息网编辑走进北京协同创新研究院超分辨精准诊疗实验室寻求答案。
北京协同创新研究院
我们本次访谈的对象是北京大学未来技术学院（原北京大学分子医学研究所）陈良怡教授，他带领团队自主研发的HiS-SIM智能超灵敏活细胞超分辨显微镜（以下简称“HiS-SIM显微镜”）曾被评为“2018年中国光学十大进展”。2023年初，陈良怡和同为北京大学教师的毛珩共同成立广州超视计生物科技有限公司（以下简称“广州超视计”），将他们所研发的HiS-SIM显微镜商品化。毛珩作为广州超视计首席执行官一同接受了采访。
北京大学未来技术学院陈良怡教授
SIM活细胞超分辨成像的意义
我们的谈话，是从一种叫佩梅病的罕见病开始，患有佩梅病的人通常寿命较短，甚至出生后即死亡。长期以来，佩梅病的不同分型间的发病机制和有效治疗药物筛选是医学研究未解的难题。2018年的一场学术会议上，专注于佩梅病研究的北京大学第一医院儿科教授王静敏听到陈良怡关于自研超分辨率显微镜的报告，似乎看到了新的希望，两个团队随后开展合作，成功通过海森结构光超分辨成像手段揭示了不同临床分型的佩梅病患者的发病机制并筛选出细胞水平上可缓解最严重的细胞表型的化合物胆固醇和姜黄素。
“在临床研究中对显微镜的应用很多，但医院病理科用的显微镜分辨率通常太低，看得不够清楚。在活细胞层面看清楚疾病发生的过程和原因，找到治疗疾病的药物和方法，这就是超分辨显微镜的意义。”陈良怡如是说。
超分辨显微技术有多种，如光激活定位显微（PALM）、随机光学重构显微（STORM）、受激发射损耗（STED）和结构光照明（SIM）等，不同的成像技术其优劣势各不相同。在陈良怡看来，实现超分辨活细胞成像对生命科学研究至关重要，在众多超分辨显微技术中，SIM做活细胞成像是最合适的。“单纯从分辨率的角度看，PALM/STORM技术或者电镜早就可以实现更高分辨率的成像，但却不能很好地实现活细胞成像。”
陈良怡继续解释道：“北京大学的保安进门会问三个终极哲学问题：你是谁？你从哪里来？你到哪里去？超分辨活细胞成像就是解决这个问题。通过高分辨显微技术对活细胞进行观察，研究人员可以看到蛋白从哪里来、到哪里去、跟谁见了面、它的partner是谁……，根据这些过程可以确定它在何时具有何种功能，而只有在活细胞里观察，才能获取到最大限度的动态信息。”
商业化产品已实现销售 一年内实现用户认可
走进实验室，我们看到左边工作台上摆放着一套设计简洁、以黄灰为主色调的HiS-SIM智能超灵敏活细胞超分辨显微镜（以下简称“HiS-SIM显微镜”），旁边的产品手册上这样介绍这台仪器：“HiS-SIM历时2年完成由实验室系统到工程样机再到预售产品的全通路研发，是现有成像灵敏度和分辨率最高的商用超分辨率显微镜。”下面是主要技术参数：
分辨率：60纳米，可辨识线粒体内嵴及其动态过程；
灵敏度：光强相比其他结构光超分辨率显微镜：1/10，比PALM/STORM超分辨显微镜：1/1000，比STED超分辨显微镜：1/400000；
成像速度：最快564Hz，可观察到囊泡分泌孔道和新中间态；
超低毒性：连续1小时1Hz成像无漂白，远优于其余超分辨显微镜。
HiS-SIM智能超灵敏活细胞超分辨显微镜
据毛珩介绍，HiS-SIM超灵敏活细胞超分辨显微镜硬件已经完成升级，而软件在经历了1500多个版本升级后也基本完成。“因为第一阶段的定位是做全国最重要的成像平台，所以仪器要有足够的功能模块和容差性。过去一年，仪器不断有新的功能加进去，经过疯狂的内测，形成测试用例。追求稳定性，是产品推出一年后才正式启动销售的原因。”
事实上，一年的时间把这样一台高端仪器做到稳定性良好，并非易事。陈良怡回答：“这跟人和钱有关。其一，我们团队的几十个人长时间在全负荷工作；其二，这个过程中我们投入了大量的钱。所谓一分钱一分货，我们所付出的巨大代价，才最终转化成现在这个‘真金白银’的稳定系统。”
“我们从研发到测试的人员，可以说是‘国家队’了，他们唯一欠缺的是产业化经验，所以我们又高薪聘请了一些有大厂工作经验的人来补足核心团队所欠缺的部分。”毛珩补充道。
目前超视计的商业化超分辨显微镜已经实现了多台销售，也有多家高校和科研院所在联系试用，有些研究人员利用这项技术已经做出了不错的成果，发表了数十篇文章。对于他们而言，产业化的道路已经迈出了很大一步。在回答国产超分辨显微镜何时能够实现国产替代这个问题时，陈良怡十分自信地说：“我们认为我们的技术已经比国外更好了，但需要练好内功，保持产品稳定性，最终让所有人认可，我们希望在一年内实现。”
HiS-SIM智能超灵敏活细胞超分辨显微镜成像
高端显微镜国产化：趋势很好 困难重重
目前，国内做高端光学显微镜的团队有很多，如中科院生物物理所、中科院苏州医工所、西安交大等许多科研单位都在进行高端显微镜的研究以及转化工作，广州和深圳等地还有很多光学仪器的初创企业。陈良怡认为：“国内高端显微镜的发展趋势很好，这也是国家所需，国家需要把科研成果写在祖国的大地上。但是无论国内有多少人在做，只有做出的产品用户使用后觉得好，愿意花钱去买，才算国产高端显微镜取得成功。就超分辨显微镜而言，这个市场像是一个“竞技场”，国产厂商竞争的舞台不应该只设定在国内，而是要去对标‘四大家’（蔡司、徕卡、奥林巴斯和尼康）。”
同时，陈良怡也讲述了目前国产化的困境。他讲到：“国产高端显微技术发展势头虽好，但也面临重重困难，发展国产高端仪器不仅仅是技术本身的问题，还有用户认知的问题和进口品牌对国产先进技术密切跟进的问题等，可谓‘前有悬崖，后有追兵’。国产高端显微镜企业从初创到有一定规模，这个过程不会一帆风顺。但在当前国家所面临的形势下，即使困难，我们还是要做产业化这件事，国家出台的国产替代政策对我们会有一定的帮助，但是最终是否可以持续发展壮大还是要靠自己。”
技术已不输国外 核心零部件逐步实现国产替代
陈良怡认为，超分辨显微成像的技术水平，国内已不比国外差。目前国产超分辨显微镜与国外的差距主要体现在两个方面：一是核心器件，国外产品更具有稳定性优势，目前不可替代；二是在整体构架和理念，即成熟的人员构架和“做到最好”的理念。
超分辨显微镜的核心零部件主要有激光器、高灵敏的科学级相机、空间光调制器、显微镜主机、控制器等。这些零部件国内都有可替代的产品，但在实际生产过程中，它们占比仅不到五成。两位受访人解释了其中的原因和广州超视计在这个环节的布局。
毛珩介绍了目前国产核心零部件生产制造商存在的问题。他讲到：“国内零部件的生产制造商常年为国外的仪器公司做代工，所以他们有能力做这件事情，但只是有能力，想要替代进口他们还缺‘两头’：上头设计和下头检测。而这两头恰好是我们能做的，接下来我们将深入参与核心零部件的制造，负责设计和检测，再按照难易程度逐年增加国产零部件的占比。”
“国内厂商很愿意这样做，原因是他们目前或正在为国外企业代工，或大批量生产精度不高的产品，价格都很低。如果来生产生物医学成像高端仪器的零部件，虽然量不大，但利润很高，对他们来说是很好的选择。目前我们跟国产厂商还处于一起慢慢磨合的状态，长线上我们希望国内厂家能够做起来。”陈良怡补充道。
陈良怡认为，仪器是核心，如果国产超分辨显微镜能够做好，就能够牵引核心零部件的发展，逐渐建设产业链，最后形成超分辨显微镜的制造生态。
陈良怡和毛珩（右）合影
政策支持很关键 国家意志可带动市场投入
近些年来，国家出台多项对高新技术的支持政策，“十四五”规划中也强调了科技创新的战略意义。在陈良怡看来，国家的支持政策给像超分辨显微镜这样的国产高端仪器带来了机遇。主要体现在两个方面：第一是国家有系统的机制支持这样的项目，还会有一定的资金支持；第二，会促进