MOSAIC自适应显微镜实现跨尺度活体成像

理解复杂的生物系统需要跨越纳米至厘米、毫秒至天的广阔时空尺度进行观测，这通常要求在复杂的原生微环境中使用多种成像模式。然而，传统显微镜往往因光学设计和样品处理之间的权衡而缺乏通用性，且在多细胞环境中易受样品诱导的光学像差影响，导致性能下降。《自然·方法》（Nature Methods）近日发表研究，介绍了一种名为MOSAIC（Multimodal Optical Scope with Adaptive Imaging Correction，多模态自适应成像校正光学显微镜）的可重构显微镜。该设备集成了光片、无标记、超分辨和多光子等多种先进成像技术，并配备自适应光学系统，能够实现对亚细胞动态、分子架构及活体小鼠神经活动的非侵入式成像。

突破单一模式局限，集成五大核心功能

自科学家首次通过透镜观察细胞以来，光学显微镜揭示了从单分子动力学到整体生物发育的生命过程。历史上，宽场、共聚焦、光片和双光子显微镜等各自优化以满足特定需求，超分辨技术进一步扩展了其能力。但针对单一模式或样本类型的优化往往以牺牲其他系统的研究能力为代价，例如高数值孔径物镜虽提升分辨率却牺牲视场和工作距离，光片显微镜虽低光毒性但需特殊样品固定方式。

MOSAIC旨在解决这一痛点，它是一台可根据需求重构为不同成像模式的单一显微镜。该设备支持无标记斜射照明、宽场荧光成像、三维结构光照明显微术（3D-SIM）、晶格光片显微术（LLSM）、晶格光片结合SIM、图像扫描显微术（ISM）以及双光子点扫描显微术。值得注意的是，所有模式均可应用自适应光学直接波前传感校正，以抵消样品诱导的像差，确保深层成像的性能。通过复用相同的硬件和软件，MOSAIC降低了总体成本并Zui小化了空间占用，同时支持在同一生物样本上进行不同成像方法的定量比较。

硬件架构革新，实现毫米级视场与高速成像

MOSAIC的设计概念源于晶格光片显微术（LLSM），但进行了重大改进。原仪器受限于工作距离和样品几何形状，通常仅适用于直径5毫米的盖玻片。MOSAIC采用0.6 NA激发、1.0 NA检测和1.0 NA倒置荧光物镜组合，将有效工作距离从接近零提升至330微米，从而容纳直径25毫米的盖玻片，实现无遮挡的全区域扫描。

为Zui大化激发功率以支持大视场和快速光片成像，MOSAIC使用Powell透镜/圆柱透镜组合，将激光功率集中在空间光调制器（SLM）上。七种可见激光可同时使用，通过二向色镜堆栈分离并重新组合成重叠的多色光束。这种设计使LLSM的体积视场从之前的100 × ~30 × 100微米³增加至200 × ~30 × 20,000微米³，成像速度因聚焦激发和双相机同步双色成像而翻倍。整个仪器包括激光器在内，体积控制在1立方米以内，通过预居中镜片和消除不必要自由度的设计，确保了极高的对准稳定性。

长时程活体观测，揭示细胞异质性

即使在克隆培养细胞群中，也存在显著的结构和功能异质性。利用MOSAIC的非侵入性LLSM功能，研究团队在约24小时内，以每90秒一次的频率，对表达内质网和细胞核标记物的LLC-PK1细胞进行了体积成像，覆盖约1 × 0.75毫米²的视场，分辨率约为260 × 260 × 431纳米³。整个数据集达49 TB，峰值采集速率为每小时4 TB。

观测显示，细胞群在初始成像后约12小时达到汇合状态，随后出现类似上皮组织脱落和重新附着的类组织行为。除了典型的有丝分裂模式外，MOSAIC还捕捉到了具有大顶叶内质网外凸的异常分裂细胞以及三极有丝分裂等罕见事件。其非侵入性使得研究者能够追踪子细胞直至其Zui终凋亡，提供了该过程更详细的四维视图。这一成果展示了MOSAIC在跨越巨大时空范围进行长期多模态成像方面的强大能力，为生物学研究提供了一个集成化的平台。

对于中国科研机构和高端仪器制造企业而言，MOSAIC的成功研发标志着光学显微镜从“专用化”向“通用自适应”转型的重要趋势。国内企业在精密光学元件和运动控制领域已具备坚实基础，若能借鉴其模块化设计和自适应光学校正算法，有望在打破国外高端显微成像设备垄断、推动生命科学基础研究工具国产化方面取得突破。