【Small】90% 成本砍半 + 24 小时稳定！超分辨显微镜的 “保鲜剂” 横空出世

✨文章标题：A Simple, Ultrastable, and Cost-Effective Oxygen-Scavenging System for Long-Term DNA-PAINT Imaging ✉️作者：George M. Church, Johannes Stein 等 🔗链接：https://doi.org/10.1002/smll.202509092

在生物学实验室里，超分辨显微镜就像科学家的 “纳米级放大镜”，能让我们看清单个蛋白质的模样、细胞内微管的精细结构。而 DNA-PAINT 技术作为其中的 “佼佼者”，凭借荧光标记的 DNA 探针反复结合目标，理论上能实现无限时长成像，彻底摆脱传统显微镜的光漂白困扰。

但现实往往不尽如人意。成像过程中产生的活性氧（ROS） 就像 “隐形杀手”，会持续破坏 DNA 探针的结合位点，让成像精度随时间快速下降。即便行业主流的 PPT 氧气清除系统能缓解问题，也只能维持 1-2 小时的稳定，还存在成本高、需频繁更换的痛点。对于需要连续成像十几个小时的复杂实验，科学家们常常陷入 “守着显微镜换缓冲液” 的尴尬。

哈佛大学与马克斯・普朗克研究所联合团队的最新研究，彻底打破了这一僵局。他们研发的SST 氧气清除系统，用亚硫酸钠（Na₂SO₃）和 Trolox 的简单组合，实现了10 倍稳定性提升、90% 成本降低，让 DNA-PAINT 成像稳定运行 24 小时以上。这个看似简单的 “化学配方”，正在重新定义超分辨显微镜的应用边界。

核心突破：抛弃酶类，用化学组合实现 “长效保鲜”

传统方案的三大痛点，SST 一一破解

主流的 PPT 氧气清除系统，本质是一套 “酶促反应装置”，由原儿茶酸（PCA）、原儿茶酸 3,4 - 双加氧酶（PCD）和 Trolox 组成。PCD 作为核心酶，能催化 PCA 与氧气反应，从而清除体系中的氧气，减少 ROS 产生。

但这套系统有三个致命缺陷：一是酶易失活，PCD 在反应中会逐渐降解，导致缓冲液 pH 值下降，5 小时内性能就下降 40%；二是操作繁琐，酶类试剂需要特殊保存和新鲜配制，不能长期存放；三是成本高昂，每毫升缓冲液成本约 0.31 美元，大规模实验的开销堪称 “烧钱”。

SST 系统的创新之处，在于彻底抛弃了酶类成分，采用纯化学试剂组合：30mM 亚硫酸钠（Na₂SO₃）作为核心氧气清除剂，搭配 1mM Trolox 作为三重态淬灭剂。亚硫酸钠能直接与氧气发生化学反应，无需酶的催化，从根源上解决了酶失活的问题。这种 “化学直接反应” 的设计，让 SST 具备了三大优势：稳定性大幅提升、制备流程简化、成本显著降低。

工作原理：像给显微镜装了 “氧气净化器”

DNA-PAINT 成像的核心，是荧光标记的 “成像链” 与样本上的 “停靠链” 反复结合、解离，通过记录荧光信号实现超高分辨率定位。而活性氧的产生，会破坏停靠链的 DNA 结构，让成像链无法正常结合，就像拼图的卡槽被损坏，无法再精准拼接。

SST 系统的作用，就是在成像体系中构建一个 “低氧保护区”。亚硫酸钠如同 “氧气海绵”，能快速捕获体系中的游离氧气，阻止其在激光照射下转化为活性氧；Trolox 则像 “消防员”，能及时清除少量产生的活性氧，同时抑制荧光分子的三重态积累，延长荧光寿命。

两者协同作用，既减少了活性氧对停靠链的破坏，又提升了荧光信号的稳定性，让成像链能持续、稳定地与停靠链结合。这就像给显微镜的成像区域装了一台高效的 “氧气净化器”，既保持环境洁净，又让 “工作者”（荧光分子）能长时间高效工作。

制备流程：实验室新手也能轻松上手

与 PPT 系统复杂的配制流程相比，SST 的制备简单到令人惊讶。只需两步就能完成：第一步，配制 1M 亚硫酸钠储备液，1.764 克亚硫酸钠溶解在 14 毫升水中，室温下可保存至少 1 个月；第二步，配制 100×Trolox 储备液，100 毫克 Trolox 加入少量甲醇和氢氧化钠溶液溶解，再加水定容至 3.2 毫升。

使用时，只需在基础缓冲液中按比例加入两种储备液，最终浓度为 30mM 亚硫酸钠和 1×Trolox，无需特殊处理即可直接用于成像。这种 “即取即用” 的设计，不仅节省了实验时间，还避免了酶类试剂配制时的各种繁琐操作，哪怕是实验室新手也能轻松掌握。

数据解读：SST 凭什么碾压传统方案？

稳定性：24 小时性能几乎无衰减，1 个月仍能用

稳定性是 SST 最核心的优势。团队在封闭和开放两种培养皿中进行了对比实验，结果令人震撼。在模拟实际实验场景的开放培养皿中，PPT 系统的荧光半衰期（t₁/₂）在 5 小时内下降了 40%，24 小时后几乎完全失效；而 SST 系统在 24 小时后，荧光半衰期仅下降 10%，性能与刚配制时相差无几。

更惊人的是，SST 的长期保存性能。配制后放置 1 个月，SST 仍能保持良好的性能，成像时的停靠链采样率仅下降 10%；而 PPT 在放置 24 小时后，采样率就下降了 52%，1 个月后几乎无法使用。这种超长的稳定性，意味着科学家可以一次性配制大量 SST 缓冲液，长期存放备用，彻底告别 “每次实验都要新鲜配制” 的麻烦。

在 DNA 折纸样本的成像实验中，SST 的优势更加明显。24 小时后，PPT 成像的 DNA 折纸结构出现明显的停靠链丢失，定位精度从 2.71nm 下降到 3.32nm；而 SST 成像的结构依然清晰完整，定位精度维持在 2.79nm，几乎没有变化。这表明 SST 能在长时间成像中，持续保护停靠链的完整性，确保成像精度不下降。

成像性能：精度更高，采样更快

除了稳定性，SST 的成像性能也全面超越传统方案。在单染料成像实验中，SST 的荧光半衰期达到 13.4 秒，比 PPT 的 9.3 秒提升了 40%；光子预算（荧光半衰期与单定位光子数的乘积）达到 12000，较 PPT 的 8000 提升了 50%。这意味着 SST 能捕获更多的荧光信号，让定位更加精准。

在停靠链采样率方面，SST 的表现同样突出。初始成像时，SST 的采样率达到 17s⁻¹，几乎是 PPT（9s⁻¹）的两倍。这是因为 SST 不会像 PPT 那样导致缓冲液 pH 值下降，能保持 DNA 链的结合动力学稳定，让成像链与停靠链的结合效率更高。

即便经过 24 小时存放，SST 的采样率在后续 1.5 小时成像中仅下降 13%，而 PPT 则下降了 52%。更高的采样率意味着能在更短时间内获得足够的定位点数，不仅提升了成像效率，还能通过增加采样密度进一步提升空间分辨率。

成本：从 0.31 美元 / 毫升降至 0.02 美元 / 毫升

成本优势是 SST 普及的关键。PPT 系统的核心成本来自于酶类试剂 PCD，每毫升缓冲液的成本约为 0.31 美元；而 SST 的主要成本是 Trolox，每毫升缓冲液的成本仅为 0.02 美元，成本降低了 93.5%。

对于需要大规模成像或长时间实验的实验室来说，这种成本差异带来的影响极为显著。假设一个实验室每月进行 100 次成像实验，每次使用 10 毫升缓冲液，使用 PPT 的月成本约为 310 美元，而使用 SST 仅需 20 美元，一年就能节省约 3480 美元。这种 “低成本高性能” 的特点，让 SST 有望成为超分辨显微镜的 “标配缓冲液”。

适用性：从 DNA 折纸到细胞成像，全场景兼容

为了验证 SST 的适用性，团队进行了从体外模型到细胞样本的全方位实验。在 DNA 折纸样本中，SST 能稳定成像 25.5 小时，包括两次 1.5 小时的成像 session 和中间 24 小时的存放，成像质量始终保持稳定。

在 HeLa 细胞的微管成像实验中，SST 的表现同样出色。刚配制时，SST 和 PPT 的定位精度均为 3.7nm，性能相当；24 小时后，PPT 的定位精度下降到 4.7nm，而 SST 仍维持在 4.3nm。更重要的是，SST 成像的微管结构更加清晰，定位密度是 PPT 的两倍，能更好地呈现微管的精细网络。

团队还验证了 SST 与 RESI（分辨率增强序列成像）和 Exchange-PAINT（交换成像）等高级成像技术的兼容性。RESI 技术需要长时间成像以实现埃级分辨率，SST 在 24 小时后仍能让 RESI 的收敛时间从 21 分钟缩短至 15 分钟；Exchange-PAINT 技术需要多轮成像且无交叉干扰，SST 能完美保持停靠链的正交性，无任何交叉反应。这表明 SST 不仅适用于常规 DNA-PAINT 成像，还能支持各种高级成像技术，应用场景极为广泛。

应用展望：SST 将改变哪些领域？

核心应用场景：5 大领域率先受益

SST 的出现，不仅解决了超分辨成像的稳定性和成本问题，还将推动多个领域的研究突破。在结构生物学领域，科学家可以对单个蛋白质复合物进行长达 24 小时的持续成像，观察其动态变化过程，为理解蛋白质功能提供全新视角；在细胞生物学领域，能更清晰地观察细胞内微管、细胞骨架等结构的动态重构，以及细胞器之间的相互作用。

在基因组学领域，SST 可与 Oligopaints、MERFISH 等技术结合，实现基因组的长时间、高分辨率成像，助力基因定位和染色质结构研究；在药物研发领域，能实时观察药物分子与靶点蛋白的结合过程，为药物筛选和优化提供更精准的数据支持；在临床诊断领域，低成本、高稳定性的成像方案，有望推动超分辨显微镜在临床样本检测中的应用，提高疾病诊断的精准度。

局限性与未来方向：仍有提升空间

尽管 SST 的表现已经非常出色，但仍存在一定的局限性。目前 SST 主要针对 Cy3B 等橙色荧光染料进行优化，对于绿色、红色等其他颜色的荧光染料，兼容性还需要进一步验证；在极高浓度的氧气环境中，SST 的清除效率可能会受到影响，需要适当调整浓度或优化配方。

未来，研究团队可能会围绕两个方向进行优化：一是拓展染料兼容性，通过调整配方，让 SST 能适配更多颜色的荧光染料，满足多色成像需求；二是优化浓度配比，针对不同的成像场景（如封闭培养皿、开放培养皿、活体样本等），开发专用配方，进一步提升适用性。此外，将 SST 与其他成像技术（如活体成像、3D 成像）结合，也是未来的重要发展方向。

行业影响：推动超分辨显微镜普及

超分辨显微镜作为生物学研究的核心设备，长期以来受限于缓冲液的稳定性和成本，难以在更多实验室普及。SST 的出现，彻底打破了这一壁垒。其低成本、高稳定性、易制备的特点，让更多中小型实验室能够开展超分辨成像研究，不再因高昂的试剂成本而却步。

同时，SST 的长期稳定性也为超分辨显微镜的自动化、高通量成像提供了可能。以往需要人工频繁更换缓冲液的高通量实验，现在可以通过 SST 实现长时间无人值守成像，大幅提升实验效率。这不仅能推动基础研究的快速发展，还能加速超分辨成像技术在工业检测、临床诊断等领域的产业化应用。

从实验室的 “小众工具” 到广泛应用的 “常规设备”，SST 看似简单的化学组合，正在悄悄改变超分辨显微镜的行业格局。对于科学家来说，这无疑是一个 “福音”—— 从此可以更专注于研究本身，而不用再为缓冲液的稳定性和成本发愁。而对于整个生物学领域来说，SST 的普及将带来更多突破性的研究成果，让我们能更清晰、更深入地探索生命的奥秘。