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利用软X射线断层扫描技术在几分钟内对细胞结构进行3D成像

2021-12-08 14:45     来源:海德堡大学     X射线

像 SARS-CoV-2 冠状病毒这样的病毒病原体会改变它们感染的细胞的内部结构。这些变化发生在单个细胞成分(细胞器)的水平上,可以提供有关病毒性疾病如何发展的信息。需要极其强大的成像技术来观察它们,但这种方法非常耗费数据和时间。在海德堡大学生物研究中心 (COS) Venera Weinhardt 博士的指导下,一个德裔美国研究小组最近优化了一种特殊的 X 射线过程(被称为软 X 射线断层扫描)在短短几分钟内提供整个细胞及其分子结构的高分辨率三维图像。

COS 和伯克利(美国)劳伦斯伯克利国家实验室的博士后Venera Weinhardt说:“ 扫描电子显微镜是细胞成像的首选,因为它们提供极其清晰的纳米级图像。但是这项技术需要一周的时间来扫描单个细胞。它还生成了大量难以分析和解释的数据。使用软 X 射线断层扫描,我们可以在五到十分钟内获得可用的结果。”

根据分子病毒学家 Ralf Bartenschlager 教授的说法,高通量对于研究大量细胞极其重要,他所在的海德堡大学医院的部门正在与 Weinhardt 博士合作对与病毒感染相关的细胞变化进行成像。科学家补充说,在组织中,通常只有部分细胞受到感染。只有这些细胞才能提供有关感染直接导致的变化的信息。然而,用扫描电子显微镜寻找这些细胞是不可能的。

被称为软 X 射线断层扫描 (SXT) 的程序已被用于成功检测不同类型病毒的单个病毒颗粒(称为病毒粒子)及其相关的细胞变化。现在,研究人员使用该技术研究了肺和肾组织中感染了 SARS-CoV-2 的细胞培养物。软 X 射线使他们能够在五到十分钟内对完整的细胞及其结构进行三维成像。研究人员进一步能够检测细胞表面的 SARS-CoV-2 颗粒簇,并识别细胞内部与病毒相关的变化。揭示了可能使病毒复制和传播的结构。

根据 Weinhardt 博士的说法,该团队的成功在很大程度上取决于使他们能够研究固定细胞的技术,即经过化学处理以灭活病毒的细胞。通常,在软 X 射线断层扫描中,就像在电子断层扫描中一样,平面晶格结构用作支架。当它们倾斜时,样品的厚度会发生变化,使一些细胞结构显得模糊。“盲点”也会出现,因为支架的扁平形状会阻止细胞从各个角度进行扫描。另一个难题是样品可能会粘附在晶格上或散开,需要多个断层扫描图来可视化整个细胞。“为了解决这个问题,我们改用圆柱形薄壁玻璃毛细管来固定样品。在显微镜检查期间,样品可以旋转整整360度,并从各个角度进行扫描," 研究人员解释说。该团队现在正致力于进一步完善样品制备技术,实现三维图像数据分析的自动化,并开发一个实验室版的软X射线显微镜。

海德堡研究的资金由德国研究基金会(DFG)、欧洲研究委员会(ERC)和欧盟“地平线2020”框架计划提供。研究结果发表在《细胞报告方法》杂志上。

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