我校物質(zhì)學(xué)院江懷東教授課題組、劉志教授課題組與國(guó)家納米科學(xué)中心陳春英課題組合作，在基于同步輻射大科學(xué)裝置的生物成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，為生物細(xì)胞高分辨結(jié)構(gòu)與功能成像提供了新的思路。該項(xiàng)研究利用X射線(xiàn)譜學(xué)、掃描透射成像等多模式成像技術(shù)，并結(jié)合納米CT新算法，實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物巨噬細(xì)胞的高分辨成像，并定量觀(guān)測(cè)了潛在納米抗癌藥物[Gd@C₈₂(OH)₂₂]n在細(xì)胞內(nèi)的三維分布。為理解納米藥物的高效低毒抗腫瘤效果提供了重要信息，同時(shí)為在亞細(xì)胞器尺寸上研究納米材料的生物學(xué)效應(yīng)提供了新方法。近日，相關(guān)成果以“Three-dimensional ultrastructural imaging reveals the nanoscale architecture of mammalian cells”為題，作為封面文章發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊《IUCrJ》。期刊同期還配發(fā)了評(píng)論文章“Multi-model imaging of the interaction of nanomaterials withcells”。

在細(xì)胞水平研究功能性納米物質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)生物結(jié)構(gòu)的相互作用，對(duì)于在納米醫(yī)藥、納米毒理學(xué)等新興領(lǐng)域的深入探究至關(guān)重要。目前，細(xì)胞及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的直接成像主要通過(guò)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡。然而光學(xué)顯微鏡受限于自身分辨率或熒光標(biāo)記等因素，無(wú)法針對(duì)細(xì)胞內(nèi)非熒光物質(zhì)進(jìn)行三維高分辨成像；電子顯微鏡受制于樣品制備方式和電子穿透深度，僅能對(duì)細(xì)胞切片進(jìn)行觀(guān)測(cè)。而X射線(xiàn)具有穿透性強(qiáng)、波長(zhǎng)短的特性，因此基于同步輻射光源的X射線(xiàn)成像技術(shù)是在亞細(xì)胞器水平研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)的有力工具。

該項(xiàng)工作主要是在國(guó)內(nèi)第三代同步輻射上海光源的軟X射線(xiàn)譜學(xué)顯微光束線(xiàn)站開(kāi)展的。利用掃描透射X射線(xiàn)成像技術(shù)得到單個(gè)巨噬細(xì)胞的二維投影，隨后通過(guò)新型納米CT算法實(shí)現(xiàn)單個(gè)完整哺乳動(dòng)物細(xì)胞的無(wú)損三維納米成像（圖1）。同時(shí)根據(jù)不同元素對(duì)X射線(xiàn)吸收的差異，利用同步輻射光源的能量可調(diào)特性，實(shí)現(xiàn)化學(xué)分辨成像，能夠直接觀(guān)測(cè)和精確定位細(xì)胞內(nèi)含有Gd元素的納米抗癌物質(zhì)的三維分布，并進(jìn)行定量分析，成像分辨率可達(dá)到75nm。該工作基于大科學(xué)裝置發(fā)展了一種具備化學(xué)分辨能力的X射線(xiàn)三維高分辨成像技術(shù)，該技術(shù)為納米尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能性作用機(jī)理研究提供直觀(guān)可靠的定量化觀(guān)測(cè)手段，未來(lái)將會(huì)在材料學(xué)、納米科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

江懷東教授課題組致力于發(fā)展基于同步輻射和X射線(xiàn)自由電子激光裝置的三維、高分辨、定量成像新方法和新技術(shù)，并探索其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。近年來(lái)在開(kāi)展高時(shí)空分辨、多功能單細(xì)胞/單顆粒成像技術(shù)研究中取得一系列成果，先后發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院會(huì)刊》、《物理評(píng)論快報(bào)》等學(xué)術(shù)期刊上。

該文章第一作者為物質(zhì)學(xué)院博士后姚圣坤，劉志、陳春英為共同作者，江懷東為通訊作者，上科大為第一完成單位。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、“973”計(jì)劃、上科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)及上海光源的大力支持。

文章鏈接：

https://journals.iucr.org/m/issues/2018/02/00/mf5022/index.html

圖1.細(xì)胞三維納米成像與細(xì)胞內(nèi)納米材料的三維分布