導讀

2019年，丹麥哥本哈根大學波爾研究所的Sergey Kapishnikov團隊利用軟X射線顯微成像技術(shù)創(chuàng)新性的揭示了抗瘧機制，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，在實驗室內(nèi)即可實現(xiàn)細胞的亞細胞結(jié)構(gòu)成像。

研究背景

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

丹麥哥本哈根大學波爾研究所的Sergey Kapishnikov團隊利用軟X射線顯微成像技術(shù)，觀察了氯喹的溴代類似物在快速冷凍的瘧原蟲感染紅細胞中的作用機制。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記技術(shù)對瘧原蟲進行表征，且制樣過程需要化學固定或染色，可能會破壞樣本的天然狀態(tài)。Sergey Kapishnikov團隊采用的非破壞性X射線顯微成像技術(shù)，能在的“水窗”能量范圍內(nèi)實現(xiàn)高達50 nm分辨率的3D成像、對生物樣品幾乎無損傷，為此項研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。

研究發(fā)現(xiàn)，瘧原蟲在感染紅細胞后會分解血紅蛋白，釋放出有毒的血紅素，并通過將血紅素結(jié)晶成惰性瘧色素來解毒。溴代氯喹可覆蓋瘧色素晶體表面，阻止其進一步生長，破壞血紅素的解毒過程。同時，溴代氯喹在瘧原蟲的消化泡中積累，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，進一步增強藥物的抗瘧效果。

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感染紅細胞。這種技術(shù)可以在不使用染色劑的情況下，直接觀察細胞的三維結(jié)構(gòu)，包括瘧原蟲的消化泡和瘧色素晶體。

如下圖所示，通過軟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團隊通過軟X射線成像技術(shù)直接觀察溴代氯喹在瘧原蟲感染紅細胞中的分布，揭示了奎寧類藥物在體內(nèi)的作用機制。溴代氯喹通過覆蓋瘧色素晶體表面，阻止血紅素沉積，并在消化泡中積累，增強藥物的抗瘧效果。此外，溴代氯喹還可能與血紅素形成復合物，進一步破壞瘧原蟲的細胞膜。這種研究方法還可以擴展到其他抗瘧藥物的研究中，為抗瘧藥物的設(shè)計和改進提供了重要的理論基礎(chǔ)。

軟X射線細胞結(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)新性推出的實驗室型軟X射線細胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100，能夠?qū)毎凹毎鞯慕Y(jié)構(gòu)進行3D高分辨率無標記成像，獲得細胞的整體3D結(jié)構(gòu)、體積、組成，并捕捉稀有生理現(xiàn)象，主要應(yīng)用于細胞結(jié)構(gòu)分析，病毒學研究，藥物研發(fā)等。

軟X射線細胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100

SXT-100的技術(shù)優(yōu)勢：

• 高分辨率：SXT-100可實現(xiàn)40 nm分辨率，清晰分辨細胞器（如線粒體、脂滴）及納米顆粒（如60 nm無機-有機雜化納米顆粒）。

• 高通量：單個細胞的斷層掃描時間僅需30分鐘至2小時，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）的48小時耗時（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管），可以在5到10分鐘內(nèi)獲取單個細胞的三維結(jié)構(gòu)圖像。

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

• 結(jié)合熒光成像： SXT-100集成熒光顯微鏡功能，通過熒光信號定位目標區(qū)域（如納米顆粒、細胞器），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

• 酵母細胞脂噬過程研究

如下圖所示，SXT成像對冷凍酵母細胞（Saccharomyces cerevisiae）進行3D成像，可以非常直觀地展示脂滴（黃色）與消化液泡（棕色）的空間分布動態(tài)，揭示饑餓誘導的脂噬（lipophagy）機制。

• 納米藥物遞送在細胞內(nèi)3D成像

如下圖所示，在HeLa細胞（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胞內(nèi)的3D共定位信息，為優(yōu)化藥物載體設(shè)計提供結(jié)構(gòu)依據(jù)。

• 復雜真核生物成像

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

關(guān)于 SiriusXT Ltd

SiriusXT Ltd是成立于愛爾蘭的科研設(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，就受到了市場的極大關(guān)注，憑借其特殊的優(yōu)勢，獲得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 項目235萬歐元資助，支持其從細胞結(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：

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

聯(lián)系我們：

Quantum Design 中國現(xiàn)已全面負責SiriusXT公司產(chǎn)品在中國市場的推廣宣傳、銷售、技術(shù)支持及售后服務(wù)！若您對實驗室型軟X射線細胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100有任何問題，歡迎通過電話：010-85120280、郵箱：info@qd-china.com聯(lián)系我們，我們將竭誠為您服務(wù)。