導(dǎo)讀

2019年，丹麥哥本哈根大學(xué)波爾研究所的Sergey Kapishnikov團(tuán)隊(duì)利用軟X射線顯微成像技術(shù)創(chuàng)新性的揭示了抗瘧機(jī)制，成果發(fā)表于著名期刊PNAS上。隨后，作為該研究的核心技術(shù)延伸，Sergey Kapishnikov 創(chuàng)立了 SiriusXT 公司將軟 X 射線成像技術(shù)轉(zhuǎn)化為軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100，徹底打破傳統(tǒng)同步輻射設(shè)施的應(yīng)用壁壘，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)成像。

研究背景

瘧疾作為全球重大公共衛(wèi)生威脅，其病原體瘧原蟲(chóng)通過(guò)分解血紅蛋白釋放毒性血紅素增殖。盡管喹啉類(lèi)藥物（如氯喹）臨床應(yīng)用廣泛，但其分子作用機(jī)制長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議。

丹麥哥本哈根大學(xué)波爾研究所的Sergey Kapishnikov團(tuán)隊(duì)利用軟X射線顯微成像技術(shù)，觀察了氯喹的溴代類(lèi)似物在快速冷凍的瘧原蟲(chóng)感染紅細(xì)胞中的作用機(jī)制。該成果以Mode of action of quinoline antimalarial drugs in red blood cells infected by Plasmodium falciparum revealed in vivo為題，發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences （PNAS）上。

研究概述

傳統(tǒng)的瘧疾研究方法依賴電子顯微鏡或熒光標(biāo)記技術(shù)對(duì)瘧原蟲(chóng)進(jìn)行表征，且制樣過(guò)程需要化學(xué)固定或染色，可能會(huì)破壞樣本的天然狀態(tài)。Sergey Kapishnikov團(tuán)隊(duì)采用的非破壞性X射線顯微成像技術(shù)，能在的“水窗”能量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)50 nm分辨率的3D成像、對(duì)生物樣品幾乎無(wú)損傷，為此項(xiàng)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。

研究發(fā)現(xiàn)，瘧原蟲(chóng)在感染紅細(xì)胞后會(huì)分解血紅蛋白，釋放出有毒的血紅素，并通過(guò)將血紅素結(jié)晶成惰性瘧色素來(lái)解毒。溴代氯喹可覆蓋瘧色素晶體表面，阻止其進(jìn)一步生長(zhǎng)，破壞血紅素的解毒過(guò)程。同時(shí)，溴代氯喹在瘧原蟲(chóng)的消化泡中積累，這種高濃度的藥物能夠有效阻止血紅素與瘧色素晶體表面結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)藥物的抗瘧效果。

軟X射線顯微成像技術(shù)

該研究使用的軟X射線成像技術(shù)，用于非破壞性地成像快速冷凍的瘧原蟲(chóng)感染紅細(xì)胞。這種技術(shù)可以在不使用染色劑的情況下，直接觀察細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)，包括瘧原蟲(chóng)的消化泡和瘧色素晶體。

如下圖所示，通過(guò)軟X射線3D成像結(jié)合X射線熒光成像，研究者發(fā)現(xiàn)溴代氯喹能夠特異性地結(jié)合到瘧色素晶體表面。在感染紅細(xì)胞內(nèi)，溴代氯喹覆蓋瘧色素晶體表面的比例約為7%至15%。這種覆蓋足以阻止血紅素分子進(jìn)一步沉積到晶體表面，從而抑制瘧色素的結(jié)晶化。

研究結(jié)論

本研究Sergey Kapishnikov團(tuán)隊(duì)通過(guò)軟X射線成像技術(shù)直接觀察溴代氯喹在瘧原蟲(chóng)感染紅細(xì)胞中的分布，揭示了奎寧類(lèi)藥物在體內(nèi)的作用機(jī)制。溴代氯喹通過(guò)覆蓋瘧色素晶體表面，阻止血紅素沉積，并在消化泡中積累，增強(qiáng)藥物的抗瘧效果。此外，溴代氯喹還可能與血紅素形成復(fù)合物，進(jìn)一步破壞瘧原蟲(chóng)的細(xì)胞膜。這種研究方法還可以擴(kuò)展到其他抗瘧藥物的研究中，為抗瘧藥物的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了重要的理論基礎(chǔ)。

軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100

SiriusXT公司利用軟X光顯微鏡成像技術(shù)，創(chuàng)新性推出的實(shí)驗(yàn)室型軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100，能夠?qū)?xì)胞及細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D高分辨率無(wú)標(biāo)記成像，獲得細(xì)胞的整體3D結(jié)構(gòu)、體積、組成，并捕捉稀有生理現(xiàn)象，主要應(yīng)用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析，病毒學(xué)研究，藥物研發(fā)等。

軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100

SXT-100的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

• 高分辨率：SXT-100可實(shí)現(xiàn)40 nm分辨率，清晰分辨細(xì)胞器（如線粒體、脂滴）及納米顆粒（如60 nm無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化納米顆粒）。

• 高通量：?jiǎn)蝹€(gè)細(xì)胞的斷層掃描時(shí)間僅需30分鐘至2小時(shí)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）的48小時(shí)耗時(shí)（樣本需破壞）。用優(yōu)化后的樣品制備方法（如圓柱形薄壁玻璃毛細(xì)管），可以在5到10分鐘內(nèi)獲取單個(gè)細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)圖像。

• 無(wú)損成像：基于“水窗”能量（280-530 eV）的軟X射線吸收特性，SXT-100可直接對(duì)全水合、冷凍樣本成像，避免化學(xué)固定或染色對(duì)結(jié)構(gòu)的干擾。

• 結(jié)合熒光成像： SXT-100集成熒光顯微鏡功能，通過(guò)熒光信號(hào)定位目標(biāo)區(qū)域（如納米顆粒、細(xì)胞器），再利用SXT獲取三維結(jié)構(gòu)信息。

• 用于冷凍電鏡成像：成像后樣本可進(jìn)一步用于冷凍電鏡（cryo-EM）或冷凍電子斷層掃描（cryo-ET），形成“光-電-射線”多尺度關(guān)聯(lián)成像（CLEXM）。

SXT-100的應(yīng)用案例

• 酵母細(xì)胞脂噬過(guò)程研究

如下圖所示，SXT成像對(duì)冷凍酵母細(xì)胞（Saccharomyces cerevisiae）進(jìn)行3D成像，可以非常直觀地展示脂滴（黃色）與消化液泡（棕色）的空間分布動(dòng)態(tài)，揭示饑餓誘導(dǎo)的脂噬（lipophagy）機(jī)制。

• 納米藥物遞送在細(xì)胞內(nèi)3D成像

如下圖所示，在HeLa細(xì)胞（HeLa）中，SXT-100成功追蹤100 nm熒光聚苯乙烯納米顆粒（NPs）的溶酶體共定位，可以提供熒光信息與納米藥物遞送載體在細(xì)胞內(nèi)的3D共定位信息，為優(yōu)化藥物載體設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)依據(jù)。

• 復(fù)雜真核生物成像

如下圖所示，SXT-100可以對(duì)眼蟲(chóng)（Euglena gracilis）的進(jìn)行納米級(jí)3D無(wú)標(biāo)記成像，結(jié)合熒光標(biāo)記葉綠素進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)表征，可以清晰呈現(xiàn)鞭毛、類(lèi)核體及光合膜系統(tǒng)等復(fù)雜真核生物內(nèi)的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，為單細(xì)胞生物功能研究提供新視角。

關(guān)于 SiriusXT Ltd

SiriusXT Ltd是成立于愛(ài)爾蘭的科研設(shè)備制造廠商，主要致力于軟X射線顯微鏡的研發(fā)及生產(chǎn)，其產(chǎn)品SXT-100一經(jīng)推出，就受到了市場(chǎng)的極大關(guān)注，憑借其特殊的優(yōu)勢(shì)，獲得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 項(xiàng)目235萬(wàn)歐元資助，支持其從細(xì)胞結(jié)構(gòu)成像角度助力抗病毒藥物的研發(fā)。

關(guān)于Quantum Design 中國(guó)：

Quantum量子科學(xué)儀器貿(mào)易（北京）有限公司(暨Quantum Design中國(guó)子公司)成立于2004年，是美國(guó)Quantum Design公司在全世界設(shè)立的諸多子公司之一，在全權(quán)負(fù)責(zé)美國(guó)公司本部產(chǎn)品在中國(guó)的銷(xiāo)售及售后技術(shù)支持的同時(shí)，還積極致力于和世界范圍內(nèi)物理、化學(xué)、生物領(lǐng)域的科學(xué)儀器制造商進(jìn)行密切合作，幫助中國(guó)市場(chǎng)引進(jìn)更多全球范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)設(shè)備和技術(shù)，助力中國(guó)科學(xué)家的項(xiàng)目研究和發(fā)展。

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Quantum Design 中國(guó)現(xiàn)已全面負(fù)責(zé)SiriusXT公司產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的推廣宣傳、銷(xiāo)售、技術(shù)支持及售后服務(wù)！若您對(duì)實(shí)驗(yàn)室型軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100有任何問(wèn)題，歡迎通過(guò)電話：010-85120280、郵箱：info@qd-china.com聯(lián)系我們，我們將竭誠(chéng)為您服務(wù)。