每一种植物、动物和人都是微小、特化细胞的丰富缩影。这些细胞本身就是世界，每个细胞都有自己独特的部分和过程，肉眼无法看到。能够以纳米分辨率看到这些微观构建块的内部运作而不损害其精细的细胞器一直是一个挑战，但来自美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室不同学科的科学家已经找到了一种使用多种技术对单个细胞进行成像的有效方法。捕捉这些图像的迷人过程发表在《Communications Biology》期刊中。
能够理解细胞的内部结构、化学物质和蛋白质在细胞内的相互作用方式，以及这些相互作用如何以纳米分辨率发出某些生物过程的信号，可以在医学、农业和许多其他重要领域产生重大影响。这项工作也为更好的生物成像技术和优化生物成像的新仪器铺平了道路。
布鲁克海文实验室的结构生物学家Qun Liu说：“研究人类细胞及其内部的细胞器令人兴奋，但我们结合了硬X射线计算机断层扫描和X射线荧光成像的多模式方法有很多机会受益。我们可以研究致病真菌或有益细菌。我们不仅可以看到这些微生物的结构，还可以看到细胞以不同方式相互作用时发生的化学过程。”
拔出生命的基石之一
在研究人员开始成像之前，他们最大的挑战之一就是准备样本本身。该团队决定使用来自人类胚胎肾（HEK）293系的细胞。众所周知，这些细胞易于生长，但很难进行多次X射线测量。即使它们很小，细胞也很容易受到X射线引起的损伤。
科学家们经过了一个谨慎的多步骤过程，使样本更加坚固。他们使用多聚甲醛来化学保存细胞的结构，然后让机器人通过将样品浸入液态乙烷中快速冷冻样品，将其转移到液氮中，最后冷冻干燥以去除水分，但保持细胞结构。一旦这一过程完成，研究人员将冻干细胞置于显微镜下，对其进行定位和标记，以进行靶向成像。
直径仅为12-15微米（人类头发的平均厚度为150微米），设置用于测量的样品并不容易，特别是对于不同光束线上的测量。该团队需要确保细胞的结构能够在高能X射线的多次测量中幸存下来，而不会造成重大损坏，并且细胞可以可靠地保持在一个地方进行多次测量。为了克服这些障碍，科学家们创建了标准化的样品架，用于多台设备，并实施了光学显微镜，以快速发现和成像细胞，并最大限度地减少可能损坏细胞的长时间X射线照射。
多模态测量
该团队使用了在布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施国家同步辐射光源II（NSLS-II）发现的两种成像技术——X射线计算机断层扫描（XCT）和X射线荧光（XRF）显微镜。
研究人员在全场X射线成像（FXI）光束线上收集了XCT数据，该数据使用X射线告诉科学家细胞的物理结构。断层扫描使用X射线显示固体样品的横截面。一个熟悉的例子是CT扫描，医生用它来对身体任何部位的横截面进行成像。
研究人员收集了XRF显微镜数据，这些数据在亚微米分辨率X射线光谱（SRX）光束线上提供了更多关于细胞内化学元素分布的线索。在这项技术中，研究人员将高能X射线直接照射到样品上，激发材料并使其发出X射线荧光。X射线发射有其独特的特征，让科学家确切地知道样品由哪些元素组成，以及它们是如何分布以实现其生物功能的。
FXI首席束线科学家Xiaonghui Xiao说：“我们有动力根据各自提供的独特互补信息将XCT和XRF成像结合起来。”。“荧光为我们提供了许多关于细胞内微量元素及其分布的有用信息。这对生物学家来说是非常关键的信息。不过，在许多细胞上获得高分辨率的荧光图可能非常耗时。即使只是二维图像，也可能需要几个小时。”
这就是使用XCT获得细胞3D图像的地方。这些信息可以帮助将荧光测量引导到特定的感兴趣位置。它为科学家节省了时间，提高了吞吐量，还确保了样本不需要长时间暴露在X射线下，从而减轻了对脆弱细胞的潜在损伤。
SRX的束线科学家Yang Yang表示：“这种相关方法提供了有用的、互补的信息，可以推进几个实际应用。”。“对于药物输送这样的事情，可以识别特定的细胞器子集，然后在治疗过程中重新分配特定的元素时可以追踪它们，让我们更清楚地了解这些药物是如何在细胞水平上起作用的。”
尽管成像技术的这些进步为细胞世界提供了更好的视角，但仍然存在挑战和进一步改进成像的方法。作为NSLS-II实验工具III项目的一部分，Yang是即将推出的定量细胞断层扫描（QCT）波束线团队的科学负责人，该项目将致力于生物成像。QCT是一种全场软X射线断层扫描束线，用于以纳米级分辨率对冷冻细胞进行成像，而不需要化学固定。这种低温软X射线断层扫描束线将与当前的方法相辅相成，为细胞结构和功能提供更多细节。
未来的研究结果
虽然能够窥探构成人体系统的细胞是令人着迷的，但能够了解攻击和破坏这些系统的病原体可以使科学家在抗击传染病方面具有优势。
Liu解释说：“这项技术使我们能够研究病原体与其宿主之间的相互作用。”。“我们可以在感染前观察病原体和健康细胞，然后在感染期间和之后对它们进行成像。我们将注意到病原体和宿主的结构变化，并更好地了解这一过程。我们还可以研究人类微生物组中有益细菌或与植物共生的真菌之间的相互作用。”
Liu目前正与美国能源部生物与环境研究项目的其他国家实验室和大学的科学家合作，研究高粱与炭疽病病原真菌Colletotrichum sublineola之间的分子相互作用，炭疽病会损害植物的叶子。高粱是美国能源部的一种主要生物能源作物，也是世界上第五大谷物作物，因此，通过了解这种毁灭性真菌的策略以及高粱的防御机制如何在细胞和分子水平上发挥作用，人类将受益匪浅。
能够看到这样的规模，可以让科学家深入了解病原体对作物、环境甚至人体发动的战争。这些信息可以帮助开发正确的工具来对抗这些入侵者，或者修复在基础层面无法最佳工作的系统。第一步是能够看到一个人眼无法看到的世界，同步加速器科学的进步已被证明是揭开这个世界的有力工具。
这项工作得到了布鲁克海文实验室指导的研究和开发基金以及美国能源部科学办公室的支持。
