從無膜細胞器到寄生蟲運動，軟 X 射線成像技術破解細胞生物學多元難題！

在生命科學研究領域，細胞結構解析是揭示生命活動本質(zhì)的核心環(huán)節(jié)。過去數(shù)年，該領域迎來了翻天覆地的變化。單細胞轉(zhuǎn)錄組學技術讓科研人員能夠深入了解細胞狀態(tài)和細胞身份的本質(zhì)，成像技術的飛速發(fā)展則實現(xiàn)了從大型組織中的細胞組織到原生細胞環(huán)境中的分子細節(jié)的多尺度可視化。在此背景下，對細胞結構圖像數(shù)據(jù)的需求呈爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)成像技術持續(xù)升級，軟 X 射線斷層掃描（SXT）這一新興技術也應運而生，為細胞結構研究帶來全新范式。

SXT 技術：全細胞三維成像的 “優(yōu)選方案”

SXT 技術的崛起，得益于高精度 X 射線光學系統(tǒng)的突破性發(fā)展。早在 20 世紀初，專為生物樣本研究設計的 SXT 工作站突破性建成，憑借優(yōu)勢迅速成為全細胞（包括大型哺乳動物細胞）三維成像的優(yōu)選方案。

圖1. 目前已建成的SXT設備

SXT 對有機物質(zhì)的敏感性使其能夠滿足對任何細胞內(nèi)細胞器和特征的 3D 信息的需求，而無需化學固定或染色。截至目前，SXT 已廣泛應用于細胞表型變化（如細胞器結構改變）、納米顆粒 - 細胞相互作用研究，尤其在新冠疫情后，成為解析感染過程中細胞重塑機制的關鍵工具。

SXT 前沿應用：解鎖細胞研究的 “新維度”

1. 無膜細胞器成像：破解 “動態(tài)調(diào)控” 與 “疾病關聯(lián)” 難題

無膜細胞器（例如核仁、副斑塊、核斑點、PML體、P體和應激顆粒等）是細胞內(nèi)高度動態(tài)的功能單元，通過相分離調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄、剪接和RNA代謝，其相變失調(diào)與神經(jīng)退行性疾病、癌癥和感染生物學密切相關。然鵝這類細胞器體積小，結構復雜，在擁擠的全細胞結構中成像難度極大。

SXT憑借對化學成分的高敏感性，為無膜細胞器研究提供了解決方案。最近，科研人員利用SXT在體內(nèi)研究了二肽重復多肽 PR 和 GR（肌萎縮側(cè)索硬化癥的主要原因）的縮合毒性。使用機器學習預測蛋白質(zhì)縮合，幾種蛋白質(zhì)靶點與細胞內(nèi)縮合物相關并在體外進行測試。其中一種候選藥物以可抑制多種病原體的濃度應用于活細菌。對這些細菌進行 SXT 顯示，處理過的細菌具有壓縮的核仁（通過線性吸收系數(shù)LAC測量）和細胞質(zhì)縮合（如圖2所示），從而證實了生物活性肽的相分離在體內(nèi)起著至關重要的作用。

圖2. 軟X射線細胞結構顯微鏡對壓縮的核仁和細胞質(zhì)縮合成像

此外，SXT 能夠同時捕捉分子縮合狀態(tài)與細胞整體結構，為研究縮合物、膜及細胞結構（如線粒體膜、脂質(zhì)膜、神經(jīng)元突觸膜）的相互作用提供了 “一站式” 觀測手段，為開發(fā)以相分離為靶點的治療方案奠定了重要基礎。

2.     結合大數(shù)據(jù)分析：構建“精準化”細胞結構模型

基于SXT數(shù)據(jù)開發(fā)細胞結構，不僅能還原細胞器的形態(tài)結構，還可同步獲取其三維組成。Samuel Isaacson團隊利用此類細胞模型來理解尋找特定DNA結合位點所需蛋白質(zhì)的動力學，以及蛋白質(zhì)通過細胞質(zhì)向細胞核擴散所實現(xiàn)的信號傳導。在另一項研究中，團隊通過整合方法開發(fā)了一個胰腺β細胞在葡萄糖刺激胰島素生成過程中重組的綜合數(shù)學模型，其中SXT數(shù)據(jù)用于模擬胰島素顆粒的運輸、對接和胞吐。如前所述，通過將蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)與SXT的LAC信息整合（如圖3所示），可以在單分子水平上模擬不同成熟階段胰島素顆粒的組成。除了細胞表型的物理表征外，此類模型在模擬與化學和環(huán)境因素（包括細胞信號傳導和運動）的相互作用方面也具特色。

圖3. 不同成熟階段胰島素顆粒SXT成像擬合圖

3. 微生物運動機制：搭建 “結構 - 功能” 關聯(lián)的運算模型

為了理解瘧原蟲和弓形蟲等寄生蟲的運動能力，SXT提供了剛性和刻板的行動形狀模型（圖4）。隨后，這些表面模型被用于求解肌動蛋白自組織的理論模型，該模型預測平行肌動蛋白絲斑塊在細胞內(nèi)上下循環(huán)，從而實現(xiàn)寄生蟲的雙向和單向滑動。將實驗SXT數(shù)據(jù)（例如細胞的真實結構）與數(shù)學模型相結合以探索和理解現(xiàn)象，是獲得機制解釋或切實可行預測的關鍵，這些預測能夠忠實地重現(xiàn)體內(nèi)情況。

圖4. 寄生蟲剛性和刻板的行動模型

4.   新細胞類型與結構發(fā)現(xiàn)：拓展生命科學研究 “邊界”

除了對已知細胞及單細胞生物的深入研究，SXT 還在識別新的細胞類型和結構方面具有特殊優(yōu)勢。特別是在水生生物學中，SXT 已用于描述藻類、浮游生物和共生生物的細胞結構（表5）。在海洋藻類 Braarudosphaera bigelowii 與藍藻內(nèi)共生體 UCYN-A 的共生關系中，SXT 技術取得重大突破。研究發(fā)現(xiàn)，UCYN - A 的復制與分裂過程與宿主藻類細胞高度同步，而這種 “生命周期同步性” 正是內(nèi)共生體向細胞器演化的關鍵標志。相關研究成果以封面文章形式發(fā)表于《科學》雜志，文中 SXT 數(shù)據(jù)清晰顯示，每個B. bigelowii細胞內(nèi)均存在一個 UCYN - A 細胞；通過對數(shù)百個B. bigelowii細胞的 SXT 分析，科研人員還揭示了其細胞周期變化的動態(tài)規(guī)律（如圖 5 所示），為內(nèi)共生演化理論提供了直接的結構證據(jù)。

圖5. 藍藻內(nèi)共生體 UCYN-A的SXT成像圖

實驗室級軟X射線細胞結構顯微鏡SXT-100

隨著技術的成熟，SXT 正從同步輻射中心走向?qū)嶒炇?。愛爾蘭 SiriusXT Ltd 公司實現(xiàn)實驗室級 SXT 的商業(yè)化，推出軟X射線細胞結構顯微鏡SXT-100，該設備在性能上與同步輻射源 SXT 系統(tǒng)持平，可對低溫保存的細胞進行三維斷層掃描，空間分辨率達 40 nm，設備占地面積僅為 2 米 ×3 米，且完成一次完整斷層成像僅需 85 分鐘，極大降低了 SXT 技術的應用門檻。

實驗室級 SXT 的出現(xiàn)，為技術創(chuàng)新與應用拓展提供了更多可能：

• 可與熒光顯微鏡等技術集成，開發(fā)多模態(tài)關聯(lián)成像方案，實現(xiàn) “結構 - 功能” 的同步觀測；

• 依托 “X 射線每日無限可用” 的優(yōu)勢，可靈活開展樣品制備策略優(yōu)化、圖像采集方法創(chuàng)新等研究；

• 能夠在高生物安全級別設施中應用，為病毒感染、烈性細菌致病機制等高危領域研究提供有力工具。

為推動 SXT 技術在中國的落地與應用，2024 年 11 月，Quantum Design 中國（量子科學儀器貿(mào)易（北京）有限公司）正式成為 SiriusXT Ltd 公司在中國地區(qū)的經(jīng)銷商。作為美國 Quantum Design 公司的中國子公司，Quantum Design 中國自 2004 年成立以來，始終致力于引進前沿科學儀器與技術，此次合作將全面負責 SXT - 100 顯微鏡在中國市場的推廣、銷售、技術支持及售后服務，為國內(nèi)科研人員提供 “近距離” 接觸前沿成像技術的機會。

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