我校物质学院江怀东教授课题组、刘志教授课题组与国家纳米科学中心陈春英课题组合作，在基于同步辐射大科学装置的生物成像领域取得重要进展，为生物细胞高分辨结构与功能成像提供了新的思路。该项研究利用X射线谱学、扫描透射成像等多模式成像技术，并结合纳米CT新算法，实现了哺乳动物巨噬细胞的高分辨成像，并定量观测了潜在纳米抗癌药物[Gd@C82(OH)22]n在细胞内的三维分布。为理解纳米药物的高效低毒抗肿瘤效果提供了重要信息，同时为在亚细胞器尺寸上研究纳米材料的生物学效应提供了新方法。近日，相关成果以“Three-dimensional ultrastructural imaging reveals the nanoscale architecture of mammalian cells”为题，作为封面文章发表于知名学术期刊《IUCrJ》。期刊同期还配发了评论文章“Multi-model imaging of the interaction of nanomaterials withcells”。
在细胞水平研究功能性纳米物质与细胞内生物结构的相互作用，对于在纳米医药、纳米毒理学等新兴领域的深入探究至关重要。目前，细胞及亚细胞结构的直接成像主要通过传统光学显微镜与电子显微镜。然而光学显微镜受限于自身分辨率或荧光标记等因素，无法针对细胞内非荧光物质进行三维高分辨成像；电子显微镜受制于样品制备方式和电子穿透深度，仅能对细胞切片进行观测。而X射线具有穿透性强、波长短的特性，因此基于同步辐射光源的X射线成像技术是在亚细胞器水平研究细胞结构的有力工具。
该项工作主要是在国内第三代同步辐射上海光源的软X射线谱学显微光束线站开展的。利用扫描透射X射线成像技术得到单个巨噬细胞的二维投影，随后通过新型纳米CT算法实现单个完整哺乳动物细胞的无损三维纳米成像（图1）。同时根据不同元素对X射线吸收的差异，利用同步辐射光源的能量可调特性，实现化学分辨成像，能够直接观测和精确定位细胞内含有Gd元素的纳米抗癌物质的三维分布，并进行定量分析，成像分辨率可达到75nm。该工作基于大科学装置发展了一种具备化学分辨能力的X射线三维高分辨成像技术，该技术为纳米尺度的物质结构及功能性作用机理研究提供直观可靠的定量化观测手段，未来将会在材料学、纳米科学、环境科学和生物学等领域得到更广泛的应用。
江怀东教授课题组致力于发展基于同步辐射和X射线自由电子激光装置的三维、高分辨、定量成像新方法和新技术，并探索其在不同领域中的应用。近年来在开展高时空分辨、多功能单细胞/单颗粒成像技术研究中取得一系列成果，先后发表在《美国科学院会刊》、《物理评论快报》等学术期刊上。
该文章第一作者为物质学院博士后姚圣坤，刘志、陈春英为共同作者，江怀东为通讯作者，上科大为第一完成单位。该项研究得到了国家自然科学基金、“973”计划、上科大启动经费及上海光源的大力支持。
文章链接：
https://journals.iucr.org/m/issues/2018/02/00/mf5022/index.html
图1.细胞三维纳米成像与细胞内纳米材料的三维分布
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