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《X射线荧光成像为癌症早期诊断提供新的可能性》

  • 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
  • 编译者： 魏韧
  • 发布时间：2019-06-27

  • 汉堡大学FlorianGrüner领衔的研究小组在德国电子同步辐射源（DESY）PETRA III上开展了一项实验，使用X射线荧光诊断早期癌症，并探索开发新型药物。该实验描绘了X射线应用的广阔前景，不仅精度更高，而且剂量的影响较低。

    该实验使用生化方法，用抗体对直径为12纳米的金纳米粒子进行功能化，再将含有这种纳米粒子的溶液注入患者体内，粒子在身内迁移，抗体可以锁定在可能存在的肿瘤上。使用笔型X射线束扫描患者的相应部位时，金粒子会发射特殊的荧光信号。

    这种方法可以检测出微小的肿瘤（1毫米）或转移肿瘤，大大改善癌症早期检测。另外，它还可以应用在新药研发领域。将其他的潜在粒子附着在纳米粒子上，使用X射线荧光成像进行追踪，观察药物如何在身内扩散，以及药物到达病灶时是否具有足够高的浓度，以便更快地区分有疗效和无疗效的受试者。

    其实X射线荧光成像这一理念已经存在了30多年，但由于X射线在体内反复散射，很难从中提取实际信号，限制了技术的应用和发展。在这项研究中，科学家利用算法，精确确定了测量的X射线光谱的全立体角内的指示粒子，其信号几乎没有背景噪声。

    但是该方法尚未进入临床实验阶段，仍有待进一步开发。例如，需要进一步研究金纳米粒子对人体的影响，寻找适宜的X射线源等。DESY PETRA III其周长超过两千米，庞大的体积限制了在医院、手术中的应用，目前正在开发的创新加速器技术有望构建符合实验室条件的X射线源。

  • 原文来源：http://photon-science.desy.de/news__events/news__highlights/x_ray_fluorescence_imaging_could_open_up_new_diagnostic_possibilities_in_medicine/index_eng.html
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  • 《康奈尔大学等机构研究团队通过X射线成像技术观察到的钻石的微观振动，为量子传感技术开辟了新的可能性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-08-24
    • 近日，科学家们绘制了钻石中的原子振动图，并将其与嵌入其中的量子系统的行为联系起来。这项工作推进了量子传感器的发展，量子传感器将比现在的检测工具精确得多。 康奈尔大学教授Gregory Fuchs表示，在量子传感器材料方面，钻石是最好的选择。现在，他和一组科学家通过生成钻石经历微观振动的精美图像，提升了钻石的游戏水平。 该团队由美国能源部阿贡国家实验室、康奈尔大学和普渡大学的研究人员组成，在量子信息科学方面取得了两倍的进步。 首先，用声波对钻石进行脉冲处理，他们拍摄了钻石振动的X射线图像，并测量了原子根据波频率压缩或膨胀的程度。 其次，他们将原子应变与另一种原子性质——自旋——联系起来，自旋是所有原子物质的一个特殊特征，并定义了两者之间的数学关系。 这些发现是量子传感的关键，量子传感利用原子的特殊特征进行测量，其精度远远高于我们今天的能力。未来几十年，量子传感器有望在医学、导航和宇宙学中得到广泛应用。 摇晃并旋转 科学家利用自旋来编码量子信息。通过确定自旋对钻石应变的反应，该团队提供了一本如何操纵它的手册：以这种方式给钻石一个微震动，自旋就会改变这么多。以这种方式摇动钻石，旋转会发生很大变化。 这项发表在《Physical Review Applied》期刊上的研究（DOI：10.1103/PhysRevApplied.22.024016）是第一次有人直接测量钻石在千兆赫频率（每秒数十亿个脉冲）下的相关性。这也是量子科学界为精确连接各种材料中的原子应变和相关自旋而做出的更大努力的一部分。例如，阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员之前测量了碳化硅中的自旋应变相关性，碳化硅是研究人员为量子应用而设计的另一种恒星材料。 该小组的研究部分得到了由阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。 康奈尔大学应用与工程物理学院教授、Q-NEXT的合作者Fuchs表示：“我们正在连接一个方程的两侧——自旋侧和应变侧——并直接比较钻石中的情况。”。“直接将他们两人击倒，我感到非常满意。” 求解自旋应变方程 等式的两边相距数百英里。 对于自旋测量，纽约康奈尔大学的科学家们使用康奈尔大学和普渡大学的研究人员开发的一种独一无二的设备，测量了自旋对穿过钻石的声波脉冲的反应。 为了进行应变测量，康奈尔大学的研究生和论文作者Anthony D'Addario驱车700英里前往伊利诺伊州的阿贡国家实验室，使用美国能源部科学办公室的高级光子源（APS）用户设施。这台周长1公里的机器产生X射线，使研究人员能够看到材料在原子和分子水平上的行为。在为量子技术生成了其他材料的应变图像后，它现在也可以为钻石做同样的事情。该团队使用APS和阿贡国家实验室纳米材料中心（也是美国能源部科学办公室的一个用户设施）联合操作的X射线束，在钻石原子来回摇晃时拍摄了类似闪光灯的照片。 他们专注于钻石内的一个特定位置：一个称为氮空位（NV）中心的不规则结构，由一个原子大小的孔和一个相邻的氮原子组成。科学家们使用NV中心作为量子传感器的基础。 APS的高分辨率图像使该团队能够测量钻石NV中心附近原子的运动，达到千分之一。 阿贡国家实验室科学家和Q-NEXT合作者Martin Holt表示：“能够使用APS明确地观察或量化NV中心附近的应变，因为它是由普渡大学和康奈尔大学开发的这些美丽的声学谐振器调制的，这使我们能够在NV中心附近本地了解情况。”Martin Holt也是该论文的作者。“这一直是硬X射线的美妙之处：能够完全穿透复杂的系统，并获得关于内部情况的定量答案。” 在掌握了自旋和应变测量结果后，Fuchs和团队将两者联系在一个方程中，该方程令人满意地与理论一致。 D’Addario表示：“最令人兴奋的部分是进行分析。我们最终发现了一个与自旋和应变相关的新数字，它最终与一些理论和之前的测量结果一致。”。 声学工程 旋转可以通过几种方式操纵。最流行的是使用电磁波。使用声波不太常见。 但它有优势。首先，声波可以用来操纵自旋，这是电磁场无法实现的。 另一方面，声波可以保护自旋中编码的量子信息。量子信息是脆弱的，当受到环境的干扰时会崩溃，这一过程称为退相干。量子研究的目标之一是避免退相干足够长的时间，以便成功处理信息。 Holt表示：“给系统添加声音会让它变得更好，这有点违反直觉，但这有点像打开白噪声发生器听不到对话。”。“你可以使用声波来保护量子比特免受退相干的影响。你正在以一种保护系统免受其他声音过程影响的方式改变系统的敏感度。” 还有小型化的优点。虽然1千兆赫的电磁波大约有一英尺长，但千兆赫的声波很小，大约有人类头发的宽度。这种小波长使科学家能够在一个小装置中放置多个类似的设备，并确保它们的信号不会相互交叉。 Fuchs表示：“如果你不希望相邻设备之间有太多的讨论或干扰，那么你可以使用声波设备，这可能非常有限。”。 将这些优势与钻石相结合，可以制成卓越的量子传感器。作为量子信息的宿主，钻石具有较长的信息寿命，可以在室温下运行，并提供可靠的测量。 Fuchs表示：“我想说，大多数人都会同意我的观点，对于量子传感器来说，钻石是王者。”。 跨学科合作是这项工作的关键。 Holt表示：“由于这些系统的复杂性和敏感性，有许多不同的东西可以移动量子现象。”。“能够仔细地对单个片段的反应进行基线分析需要相关性。这是一个多学科的问题，Q-NEXT非常适合回答这个问题。Q-NEXT在为这些设施中的量子系统创建操作环境方面的投资确实取得了回报。” 这项工作得到了美国能源部科学国家量子信息科学研究中心的支持，该中心是Q-NEXT中心的一部分。
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  • 《无细胞表达平台为iGEM和其他领域提供了新的可能性》
    • 来源专题：人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-12-10
    • 是时候广泛采用iGEM的无细胞表达方法了。 在今年的国际基因工程机器(iGEM)大赛之后，一支名为Paris Bettencourt的团队总结了他们在无细胞技术方面的经验。iGEM致力于推进合成生物学，促进开放、友好的合作，它将高中和大学的学生聚集在一起，组成跨学科的团队，“通过解决世界面临的日常问题，推动合成生物学的边界”。在一年一度的iGEM大会上，由近6000名学生组成的团队聚在一起展示他们的作品，并角逐多个奖项，包括类别特定的奖项以及本科生、本科生和高中生的大奖。今年，许多获奖团队利用无细胞系统的速度和易用性，可靠地生产了自然界的推动者和推动者:蛋白质。 我们大多数人都没有意识到这一点，但是定制蛋白质在我们的日常生活中是必不可少的。它们存在于我们穿的衣服和吃的食物中，存在于许多人赖以维持健康的救命药物中。 几十年来，我们一直在利用蛋白质的原始来源:细胞制造蛋白质。虽然生物学所选择的制造蛋白质的方法已经足够有效，但研究人员一直在研究将蛋白质生产机器从细胞中分离出来并在外部为其提供动力的方法。换句话说，我们现在可以从DNA到蛋白质而不用担心细胞的挑剔需求。这减少了时间和成本，并允许我们生产可能对细胞有毒或需要特殊条件才能正确折叠和发挥功能的蛋白质。 Arbor Biosciences是一家领先的公司，致力于为所有人提供易于使用、成本效益高、特别是高效的无细胞表达试剂盒。他们myTXTL®胞外表达平台,最初由文森特•Noireaux博士,明尼苏达大学,是一个所有E。大肠杆菌转录(TX)和翻译(TL)系统提供了一个主混合在一个单一的，现成的管。该管包括蛋白质合成所需的一切-细胞提取物，能源，氨基酸，和辅助因子。你只要添加DNA——或者作为质粒或者合成的线性DNA——蛋白质就会在几分钟内形成。 在今年的iGEM竞赛中，Arbor Biosciences资助了来自世界各地的七个团队的项目，将细胞无表达技术和技术支持结合起来。每个团队收到的myTXTL工具包被证明是iGEM竞赛的一个很好的工具，因为它快速的设计-构建-测试周期省去了转换、克隆和筛选所需的时间和精力——对于只有几个月时间来完成项目的团队来说，这是一个关键的节省时间的工具。 那么，这些团队用这些无细胞系统能完成什么呢? 工程噬菌体作为抗生素的替代品(慕尼黑团队) 噬菌体疗法最近重新流行起来，作为一种有希望的方法来对抗动物和人类中出现的耐多药细菌感染，这是我们这个时代最大的公共卫生挑战之一。这是由于生物技术的进步，如开发高效的无细胞表达系统，使科学家能够产生生物工程或难以产生的噬菌体。慕尼黑团队利用myTXTL建立了一种简单、有效、快速、安全的噬菌体自组装方法Phactory。 Phactory的无细胞方法使他们能够在不需要基因工程的情况下，仅仅通过在组装管中加入修饰过的蛋白质，就能构建出量身定做的噬菌体。为了验证这一概念，他们添加了一种含有eYFP的修饰衣壳蛋白，创造了一种荧光T4噬菌体，可以作为诊断或研究目的的成像平台。 由于他们对噬菌体工程的体外研究方法，该团队在这个大型聚会上获得了研究生组的亚军，他们的几个项目正在申请专利。 星形抗菌肽帮助法国养猪户对抗抗生素耐药性(Paris-Bettencourt团队) 抗生素耐药性不仅是人类卫生保健中的一个问题，也是农业中的一个关键问题，对农作物和动物都有影响。为了帮助法国兽医、农民和决策者，来自法国的Paris-Bettencourt团队正在使用无细胞技术生产难以制造的星形抗菌肽(SNAPPs)。 研究小组选择使用抗菌肽是因为细菌对其产生耐药性更加困难。将几种不同的天然和合成的amp融合到恒星核中，该团队已经能够用合成的生物融合蛋白取代化学合成的snapp。他们的SNAPPs获得了iGEM金奖，代表了一种低成本、低毒的解决方案，可以杀死法国养猪场的革兰氏阴性细菌，而不会进一步加剧抗生素耐药性问题。 减少水污染，增加蛋白质生产，改善癌症检测 虽然慕尼黑和巴黎-贝当古团队已经设计了突破性的、屡获殊荣的系统来解决抗生素耐药性问题，但其他由树支持的iGEM团队一直在为一系列广泛的问题提供解决方案。 西北大学(Northwestern)和努斯杰姆大学(NUSGEM)的研究小组正在分别解决重金属和合成染料造成的水污染问题，而吉夫大学的研究小组则在寻求优化从环状RNA中提取的大规模无细胞蛋白质的生产。此外，EPFL团队正在开发无细胞癌症检测、患者特异性抗原表达和疫苗。每一个团队的成就和奉献是真正鼓舞人心的。 Arbor Biosciences的Evelyn Eggenstein博士说:“我们认同所有参与项目的学生的辛勤工作、热情和用心。”“通过与培养下一代科学家和创新者的年轻专业人士联系起来，我们认识到他们致力于改善和发展科学世界。” Arbor Biosciences将在2019年继续支持iGEM团队，并将在大型聚会上再次展示，以提高人们对无细胞蛋白质合成能力的认识。“我们预计的数量团队使用系统,如游离myTXTL®?增加这项技术使他们能够实现更多的项目目标在同一时期。这一点在使用线性DNA模板(通常由IDT这样的赞助者作为基因块提供)进行无细胞表达时尤其正确，”Arbor Biosciences的Matthew Hymes解释说。 在iGEM中，无细胞方法正开始产生真正的影响，但这只是冰山一角。无细胞技术不仅缩小了DNA和蛋白质技术之间的差距，而且扩大了我们对疟疾等疾病的认识，提高了我们发现新药和疫苗的机会。而且，无细胞技术正将合成生物学引入生命科学之外的行业。在未来，无细胞技术可能为世界上一些最棘手的问题提供可行、经济和可持续的解决方案。 ——文章发布于2018年11月29日
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