? ? ? ?4月23日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)傳來消息，該?？蒲腥藛T與合作者利用自主研制的“鉆石傳感器”，能給肝癌細(xì)胞拍“超清寫真”，且分辨率達(dá)到了10納米。
據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出細(xì)胞原位納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與中科院生物物理所徐濤院士團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞原位鐵蛋白分子的磁性成像，將原位蛋白質(zhì)磁成像分辨率推進(jìn)到了10納米，達(dá)到了以上成果。
納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖
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? ? ? ?傳統(tǒng)的磁共振成像技術(shù)，無法拍出“高清照片”
在細(xì)胞原位實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分子成像是生物學(xué)研究的重要目標(biāo)之一。在眾多成像技術(shù)中，磁共振成像技術(shù)能夠快速、無破壞地獲取樣品體內(nèi)的自旋分布圖像，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中。特別是在臨床醫(yī)學(xué)中，因其對(duì)生物體幾乎無損傷，對(duì)疾病的機(jī)理研究、診斷和治療起著重要的作用。
然而，傳統(tǒng)的磁共振成像技術(shù)使用磁感應(yīng)線圈作為傳感器，空間分辨率極限在微米以上，而細(xì)胞內(nèi)的生物分子大小為納米級(jí)別，產(chǎn)生的磁信號(hào)非常弱，線圈傳感器探測(cè)不了，拍不出“高清照片”，看不到單分子結(jié)構(gòu)。
因此，在細(xì)胞原位實(shí)現(xiàn)生物分子的納米級(jí)磁共振成像和結(jié)構(gòu)解析，一直是生物學(xué)研究的“皇冠”級(jí)難題。
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? ? ? ?納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭載細(xì)胞樣品
為突破磁共振成像的分辨率極限，杜江峰課題組使用鉆石中的氮-空位固態(tài)點(diǎn)缺陷單自旋作為磁敏感單元（簡(jiǎn)稱“鉆石傳感器”），自主研制了細(xì)胞原位納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
? ? “鉆石傳感器”能夠感應(yīng)并接收到來自樣品的微弱的磁信號(hào)，在激光和微波操控下，再將接收到的細(xì)胞分子的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，用光子探測(cè)器讀出信號(hào)并結(jié)合原子力顯微鏡進(jìn)行成像。
? ? ? ?這個(gè)自制的納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，就像一架原子力顯微鏡，它能搭載著細(xì)胞樣品，精準(zhǔn)地靠近“鉆石傳感器”。為方便“鉆石傳感器”收集磁信號(hào)，細(xì)胞樣品在懸臂梁的帶領(lǐng)下，結(jié)合原子力顯微鏡的掃描方法，在空間上鉆石傳感器以納米級(jí)別的位移“走遍”整個(gè)細(xì)胞剖面，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)分子的成像。
? ? ?“鉆石傳感器”成像分辨率可達(dá)10納米
該工作使用鐵代謝和鐵蛋白功能研究中的模式細(xì)胞——人的肝癌細(xì)胞株（HepG2）進(jìn)行納米磁成像實(shí)驗(yàn)研究。磁性信號(hào)來源于鐵蛋白分子內(nèi)的鐵離子，在室溫下具有順磁性。
? ? ? ?首先研究人員使用高壓冷凍替代方法將活細(xì)胞瞬間固定并包埋，然后用切片的方法將細(xì)胞剖開，并用基于鉆石刀的超薄切片技術(shù)將表面修整成納米級(jí)平整度。這時(shí)，存在于細(xì)胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)暴露在細(xì)胞剖面上，可以與鉆石傳感器近距離接觸。
? ? ? ?通過對(duì)樣品進(jìn)行掃描，研究人員觀測(cè)到了細(xì)胞內(nèi)部存在于細(xì)胞器中的鐵蛋白，分辨率達(dá)到了10納米。為了拓展成像功能，實(shí)驗(yàn)小組還發(fā)展了電鏡-磁關(guān)聯(lián)成像技術(shù)，同時(shí)使用兩種不同的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一鐵蛋白團(tuán)簇的觀測(cè)。
該成果將細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子磁成像的空間分辨率提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，為未來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞原位蛋白質(zhì)磁共振成像打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，也為開展細(xì)胞原位分子尺度的磁共振譜學(xué)研究提供了可能。