课题基金 / 基金详情

深度学习驱动的PAINT成像技术开发及活细胞超分辨成像应用研究

批准号:
22104129
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张露灏
依托单位:
学科分类:
化学成像
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张露灏

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
DNA点积累在纳米尺度地形成像(DNA-PAINT)是超分辨成像技术的一种,其基于单分子定位原理,可实现5nm的超高空间分辨率。但该方法时间分辨率有限,难以实现活细胞结构动态超分辨成像。深度学习与成像技术的融合,已根本改变研究人员获取、处理、分析和解析数据的方式。本项目拟建立深度学习驱动的PAINT超分辨成像新方法。通过设计基于框架核酸的新型PAINT成像探针,建立多种亚细胞结构的特异性标记与超分辨成像策略。训练深度神经网络,实现多种低于光学衍射极限的亚细胞结构超分辨成像预测,减少重建图像数据量并提升重建的速度。验证深度神经网络PAINT成像效果,实现活细胞中亚细胞结构的多色、快速超分辨率成像。本项目研究通过跨学科的技术融合,开发新型PAINT标记探针并建立深度学习驱动的超分辨成像新方法,有望突破现有超分辨成像技术的发展瓶颈,在未来生物医学科学问题的研究中有广泛应用。
英文摘要
DNA points accumulation for imaging in nanoscale topography (DNA-PAINT) is a super-resolution microscopy technique. This method is based on single-molecule-localization and can achieve 5 nm ultra-high spatial resolution. However, DNA-PAINT technique has low temporal resolution and is difficult to achieve dynamic super-resolution imaging for living cell subcellular structures. The integration of deep learning and imaging technology fundamentally transforming how researchers acquire, process, analyze and interpret data. This project intends to establish a new method about deep learning driven PAINT super-resolution imaging. A novel PAINT imaging probe based on DNA framework is designed to establish specific labeling and super-resolution imaging strategies for various subcellular structures. Deep neural network is trained to realize the super-resolution imaging prediction of various diffraction limited subcellular structures,reduce the amount of images for reconstruction and improve the reconstruction speed. Then the effect of deep neural network PAINT imaging will be verifyed and multiplex, fast super-resolution imaging of subcellular structure for living cells will be achieved . Through interdisciplinary technology integration, this project develops a novel PAINT probe and establishes a new method of deep learning driven super-resolution imaging, which is expected to break through the bottleneck of the development of super-resolution imaging technology and has a wide application potential in the future research of biomedical science.
基于DNA-PAINT的超分辨成像技术能够实现纳米级别的分辨率,然而存在成像时间长,无法应用于活细胞成像的缺陷。深度学习技术已经被广泛应用于成像领域,可达到提升分辨率、缩短成像时间、降低重建计算压力的效果。本项目利用深度学习技术,优化DNA-PAINT超分辨成像技术,实现亚细胞结构的快速重建,可将成像与重建速度提升10倍。为进一步将PAINT技术应用于活细胞中,本项目基于可逆拆分荧光蛋白,构建新型蛋白质-PAINT成像探针,实现了活细胞内微管的超分辨成像,可达到了60 nm的空间分辨率和分钟级别的时间分辨率。该探针能通过融合表达锚定蛋白的方式,可直接应用于绝大多数运动不剧烈的亚细胞结构超分辨成像。该项目的研究成果在生命科学、医学等多领域的细胞超分辨成像研究中,具有重要的学术价值和应用前景。
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