近期，美国波士顿大学程继新教授团队基于人工智能和先进仪器技术，提出了一种新型振动纳米成像技术——超灵敏加权受激拉曼散射（URV-SRS，ultrasensitive reweighted visible stimulated Raman scattering）。
值得关注的是，研究人员在不引入伪影的情况下，使用傅里叶重加权（Fourier Reweighting）算法放大了原本微弱的高分辨率信号，前所未有地将分辨率提升至 86 纳米，首次实现了针对活体细胞内纳米结构的无标记化学成像。
URV-SRS 通过先进光学硬件开发与人工智能算法的协同创新，通过“软硬结合”的思路，在提高信号强度的同时降低了探测噪声，实现了同时提升分辨率与灵敏度，比近红外 SRS 提高了 50 倍。
该研究展示了在纳米尺度空间代谢组学方面的能力，使科学家能够以前所未有的清晰度观察到细胞内的代谢活动，包括提供包括蛋白质、脂质、碳水化合物、核酸等主要代谢物的纳米尺度图像。
URV-SRS 适用于自然条件下无标记的样品，可对细胞内代谢纳米结构的多重检测，因而具有一系列潜在的生物医学应用前景，例如肿瘤代谢、神经科学与合成生物学等方向，为分子生物学和精准医疗的进步提供了新的视角。
图丨程继新教授（左）与林浩楠博士进行实验（来源：程继新）
审稿人对该研究评价称：“在保证信号强度基本不受影响的前提下，该研究将分辨率提升至亚 100 纳米，对于亚细胞成像具有重大意义，其表现也明显优于迄今为止报道的其他超分辨率 SRS 技术。此外，该技术在病毒复制和代谢成像中的应用亦是一个极具说服力的示范，而这是传统 SRS 显微镜难以实现的。”
近日，相关论文以《超灵敏的重加权可见光激发拉曼散射实现细胞代谢的无标记纳米成像》（Label-free nanoscopy of cell metabolism by ultrasensitive reweighted visible stimulated Raman scattering）为题发表在Nature Methods[1]。
波士顿大学研究助理教授林浩楠是第一作者，程继新教授担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature Methods）
实现无标记纳米结构化学成像的关键：同时提高空间分辨率和检测灵敏度
在纳米尺度下观测活体细胞内代谢物的分布，对揭示细胞运作的生物化学反应机理，加深对于人类健康与疾病的理解具有重要意义。目前，荧光成像是研究活体细胞结构与化学组分的主要手段。
然而，由于代谢物通常为小分子，使用传统荧光染料标记会干扰其分子结构并导致代谢功能异常。尽管质谱成像技术能够直接通过分子量表征代谢物成分，但该手段的空间分辨率仅为几十微米，无法看到细胞内纳米尺度的精细结构。因此，如何实现活体细胞内代谢物的无标记高分辨成像，仍然是学术界的一个重大课题。
URV-SRS 是一种基于受激拉曼散射（SRS，Stimulated Raman Scattering）的无标记化学成像技术。SRS 用两束波长不同的光同时聚焦在生物样品内，当两束光的能量差恰好与分子内的化学键振动能量匹配时，便会产生远强于常规拉曼的相干拉曼信号，实现高速活体无标记化学成像。
但是，现有 SRS 技术通常使用两束波长 1 微米左右的近红外光，根据光学衍射极限，其空间分辨率约为 300 纳米左右，不足以解析 100 纳米以下的细胞结构。更重要的是，现有 SRS 技术的灵敏度为毫摩尔量级，这意味着目标结构在焦点内至少需要有 80000 个分子才能被探测到。
然而，对于大多数纳米尺度结构，其包含的分子浓度远低于该探测极限，导致现有 SRS 技术无法进行被有效探测。因此，同时提高空间分辨率与检测灵敏度，是实现无标记纳米结构化学成像的关键。
首次实现活体细胞内纳米结构的无标记化学成像
该研究共经历 5 年，实际上，同时提升空间分辨率和检测灵敏度充满挑战，研究过程可谓“一波三折”。最初，研究人员尝试使用结构光照明提高分辨率。尽管这个方法很巧妙，但是工程难度极高，并且会导致 SRS 信号衰减。
林浩楠表示：“我们意识到，真正‘卡脖子’的难点在于探测灵敏度的不足，而现有基于荧光的超分辨技术均会牺牲灵敏度，也就是说，这些技术并不适用于无标记化学成像。”
于是，他们转变思路，将提高灵敏度作为首要目标。但在探索提高灵敏度方法的过程中，研究人员在很长一段时间内，都无法解决超快可见光对于样品的损伤。
他们原以为通过降低峰值功率解决样品损伤，会同时导致 SRS 信号的衰减。然而，林浩楠通过不懈尝试，成功证明了通过线性啁啾降低峰值功率，能在避免光损伤的情况下保持 SRS 信号强度，进而解决了可见光 SRS 成像的灵敏度难题。
在灵敏度提升的基础上，他们再次通过“软硬结合”的思路，将空间分辨率提升至 100 纳米以下。“由于我们使用了两束短波长可见光，根据衍射极限定律与双光子成像定律，可见光 SRS 的分辨率可达到 130 纳米左右。”程继新表示。
（来源：Nature Methods）
在增强信号层面，该团队的核心技术是利用可见光共振增强拉曼信号。然而，使用可见光的同时也带来了诸多问题。
首先，由于 SRS 是非线性光学效应，使用瞬时功率极高的超快可见光，极易对活体生物样品造成不可逆的光损伤。
其次，SRS 过程中通常伴有包括瞬态吸收等非线性背景信号，这些背景信号在可见光波段也得到了增强，在一定程度上抵消了拉曼信号的增强。
为了攻克这两个难题，研究人员开发出了一种脉冲光啁啾系统，将脉冲宽度从原来的 150 飞秒延伸至 4 皮秒，在降低峰值功率的同时，也减少了光损伤。同时，还保证了两束光啁啾调制的线性，极大增强了拉曼信号与背景信号的比值，从而实现了 SRS 信号的增强。
此外，研究人员开发了可见光激发 SRS 信号的方法。由于可见光能量更接近电子跃迁能级，相干拉曼散射的反应截面得到共振增强，使得信号强度提高了 20 倍。
（来源：Nature Methods）
在降低噪声层面，该课题组也遇到了独特的难题。现有的自学习降噪算法均需要图像噪声满足独立、同分布的统计特性。然而，由于 SRS 使用锁相放大器进行信号提取，相邻像素点的噪声存在相关性。
为了解决这一难题，他们基于“软硬结合”的技术思路，使用 AI 技术有效降低了 SRS 中复杂的系统噪音，这也是最终实现纳米成像不可或缺的一个步骤。由于系统噪音性质复杂，基于统计学习的传统降噪算法并不适用。
因此，他们开发了一种全新的自学习深度降噪算法（NACE，Noisy-As-Clean with consensus equilibrium），能够通过添加额外的实验噪声，自学习 SRS 噪声的统计规律，在没有高信噪比训练集的情况下，将实验噪声降低了约 2.5 倍。
林浩楠指出，得益于 AI 技术的加持，在下一步利用傅里叶重加权算法将空间分辨率提高至 80 纳米时，避免了由于放大噪音引起的伪影。并且，最终将 SRS 的探测灵敏度提高至焦点内约 1600 个分子，相比近红外 SRS 技术提高了 50 倍。
（来源：Nature Methods）
URV-SRS 在分子病毒学与合成生物学领域，表现出广阔的应用前景。在分子病毒学上，研究人员揭示了寨卡病毒在宿主细胞中如何构建复制中心的网状结构，并利用宿主内的代谢物进行合成；在合成生物学中，他们展示了在亚细胞尺度，大肠杆菌如何进行产物合成并排出。
谈及 AI 技术在显微成像领域的应用前景，程继新表示：“通过将 AI 引入显微成像的每个环节，包括系统设计、数据采集与图像处理，我们可以从根本上打破传统光学成像领域的物理极限，从而开发出下一代智能成像系统，以研究之前无法触及的生物过程。”
用科技创新驱动产业化发展：拥有 30 余项专利，参与 4 家企业技术落地
程继新教授目前担任波士顿大学 Moustakas 讲席教授，其团队的研究主旨是：通过发明无标记的化学成像技术、光治疗技术以及光调控技术，促进精准医学并推动人类健康发展。截至目前，该实验室已有 30 余项专利。
该课题组发明的代表性技术包括：光热显微镜、蓝光杀菌、光声和微波神经调控。其中，2016 年在Science Advances报道的红外光热显微镜 [2]，实现了超高分辨率和超高灵敏度的红外光谱成像，为化学成像领域开辟了新的方向。据谷歌学者统计，仅 2024 年就有 441 篇论文使用了该技术。
2019 年在Advanced Science报道了蓝光杀菌技术，为抗药性金黄色淋球菌皮肤感染的治疗提供了新途径 [3]。2024 年在Science Advances报道的微波神经调控技术，则为抗药性疼痛的治疗提供了新方法 [4]。
值得一提的是，程继新课题组与奥地利维也纳大学合作，于 2024 年在Nature Microbiology报道了肠道微生物菌群的多模态受激拉曼和双光子光热成像。研究人员发现，治疗帕金森病的药物（antacapone）可以通过螯合铁元素，来抑制肠道内特定菌群的活性 [5]。
产业化发展方面，程继新作为企业联合创始人和科学顾问推动了多项显微成像技术和产品在工业界落地，包括苏州威邦震电的 ULTRAVIEW 显微镜和美国加州光热光谱公司（Photothermal Spectroscopy Corp.[6]）基于中红外光热成像技术的“海市蜃楼”（mIRage）显微镜。“目前，这些产品已经销往欧美亚多个国家。”程继新说。
（来源：程继新）
2014 年在美国普渡大学工作期间，程继新教授和王璞博士（现为北京航空航天大学教授及 VibroniX CEO）联合创立了威邦震电（VibroniX）。经过 10 年发展，公司现有 50 名员工，总部位于苏州工业园区，并在海外设有 VibroniX Inc。该公司致力于基于振动的成像技术和医疗设备创新，旗下子公司包括振电（苏州）医疗科技有限公司和威朋（苏州）医疗器械有限公司。
目前，威邦震电已经成功推出了多款高性能分子光谱成像系统，包括：多模态非线性光学显微镜 UltraView、快速相干拉曼显微镜 SuperView、瞬时激光红外显微镜 ExtraView, 以及瞬态吸收显微镜 HyperView [7], 并已为国内外科研机构提供定制化的光学成像系统。这些产品在细胞代谢、肿瘤研究、分子病理学、微塑料监测、合成生物学、药物分析等领域发挥着重要作用。
（来源：威邦震电 CTO 兰璐博士）
程继新团队与威邦震电保持紧密合作，通过专利授权加强产学研转化。据悉，公司计划在未来几年内完成受激拉曼光热显微成像（SRP，Stimulated Raman Photothermal）技术和 URV-SRS 的产品化（DeepTech此前报道：科学家设计新型化学成像工具，将拉曼效应用于光热显微镜，实现超灵敏振动光谱成像）。
此外，程继新还担任美国 Pulsethera 公司联合创始人和法国巴黎 Axorus 公司科学顾问，前者致力于利用内源发色团的光解机制来对抗超级细菌；后者的发展重点则在于推动光声神经刺激技术在医学上的转化应用。
据悉，程继新实验室 [8] 已经申请了 URV-SRS 的美国及国际专利。基于 URV-SRS，研究人员希望未来继续将无标记受激拉曼成像的分辨率推进到 50 纳米，从而进一步看到细胞器内的精细结构及相关组份。
由于该技术可提供基于分子振动光谱的高组分化学信息，该课题组还计划进一步开发仪器与光谱解析算法，建立包括脂质、代谢物与蛋白的超分辨空间多组学等全新方向。
参考资料：
1.Lin, H., Seitz, S., Tan, Y. et al. Label-free nanoscopy of cell metabolism by ultrasensitive reweighted visible stimulated Raman scattering.Nature Methods(2025). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02575-1
2.Zhang, D., et al. Depth-resolved mid-infrared photothermal imaging of living cells and organisms with submicrometer spatial resolution,Science Advances2, e1600521 (2016). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1600521
3.Dong,P. et al. Photolysis of Staphyloxanthin in Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Potentiates Killing by Reactive Oxygen Species.Advanced Science(2019). https://doi.org/10.1002/advs.201900030
4.Marar,C. et a l. Wireless neuromodulation at submillimeter precision via a microwave split-ring resonator.Science Advances10, 40(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5560
5.Pereira, F.C., Ge, X., Kristensen, J.M. et al. The Parkinson's disease drug entacapone disrupts gut microbiome homeostasis via iron sequestration.Nature Microbiology9, 3165–3183 (2024). https://doi.org/10.1038/s41564-024-01853-0
6.https://www.photothermal.com/
7.https://www.zhendian.tech/microscopy
8.https://www.bu.edu/eng/profile/ji-xin-cheng/
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