軟 X 射線顯微成像技術揭秘抗瘧機制，實現 40 nm 無損成像新突破

導讀

2019年，丹麥哥本哈根大學波爾研究所的Sergey Kapishnikov團隊利用軟X射線顯微成像技術創新性的揭示了抗瘧機制，成果發表于著名期刊PNAS上。隨后，作為該研究的核心技術延伸，Sergey Kapishnikov 創立了 SiriusXT 公司將軟 X 射線成像技術轉化為軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100，徹底打破傳統同步輻射設施的應用壁壘，在實驗室內即可實現細胞的亞細胞結構成像。

研究背景

瘧疾作為全球重大公共衛生威脅，其病原體瘧原蟲通過分解血紅蛋白釋放毒性血紅素增殖。盡管喹啉類藥物（如氯喹）臨床應用廣泛，但其分子作用機制長期存在爭議。

丹麥哥本哈根大學波爾研究所的Sergey Kapishnikov團隊利用軟X射線顯微成像技術，觀察了氯喹的溴代類似物在快速冷凍的瘧原蟲感染紅細胞中的作用機制。該成果以Mode of action of quinoline antimalarial drugs in red blood cells infected by Plasmodium falciparum revealed in vivo為題，發表在Proceedings of the National Academy of Sciences （PNAS）上。

研究概述

傳統的瘧疾研究方法依賴電子顯微鏡或熒光標記技術對瘧原蟲進行表征，且制樣過程需要化學固定或染色，可能會破壞樣本的天然狀態。Sergey Kapishnikov團隊采用的非破壞性X射線顯微成像技術，能在的“水窗”能量范圍內實現高達50 nm分辨率的3D成像、對生物樣品幾乎無損傷，為此項研究提供了關鍵的技術支持。

研究發現，瘧原蟲在感染紅細胞后會分解血紅蛋白，釋放出有毒的血紅素，并通過將血紅素結晶成惰性瘧色素來解毒。溴代氯喹可覆蓋瘧色素晶體表面，阻止其進一步生長，破壞血紅素的解毒過程。同時，溴代氯喹在瘧原蟲的消化泡中積累，這種高濃度的藥物能夠有效阻止血紅素與瘧色素晶體表面結合，進一步增強藥物的抗瘧效果。

軟X射線顯微成像技術

該研究使用的軟X射線成像技術，用于非破壞性地成像快速冷凍的瘧原蟲感染紅細胞。這種技術可以在不使用染色劑的情況下，直接觀察細胞的三維結構，包括瘧原蟲的消化泡和瘧色素晶體。

如下圖所示，通過軟X射線3D成像結合X射線熒光成像，研究者發現溴代氯喹能夠特異性地結合到瘧色素晶體表面。在感染紅細胞內，溴代氯喹覆蓋瘧色素晶體表面的比例約為7%至15%。這種覆蓋足以阻止血紅素分子進一步沉積到晶體表面，從而抑制瘧色素的結晶化。

研究結論

本研究Sergey Kapishnikov團隊通過軟X射線成像技術直接觀察溴代氯喹在瘧原蟲感染紅細胞中的分布，揭示了奎寧類藥物在體內的作用機制。溴代氯喹通過覆蓋瘧色素晶體表面，阻止血紅素沉積，并在消化泡中積累，增強藥物的抗瘧效果。此外，溴代氯喹還可能與血紅素形成復合物，進一步破壞瘧原蟲的細胞膜。這種研究方法還可以擴展到其他抗瘧藥物的研究中，為抗瘧藥物的設計和改進提供了重要的理論基礎。

軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100

SiriusXT公司利用軟X光顯微鏡成像技術，創新性推出的實驗室型軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100，能夠對細胞及細胞器的結構進行3D高分辨率無標記成像，獲得細胞的整體3D結構、體積、組成，并捕捉稀有生理現象，主要應用于細胞結構分析，病毒學研究，藥物研發等。

軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100

SXT-100的技術優勢：

• 高分辨率：SXT-100可實現40 nm分辨率，清晰分辨細胞器（如線粒體、脂滴）及納米顆粒（如60 nm無機-有機雜化納米顆粒）。

• 高通量：單個細胞的斷層掃描時間僅需30分鐘至2小時，顯著優于傳統聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）的48小時耗時（樣本需破壞）。用優化后的樣品制備方法（如圓柱形薄壁玻璃毛細管），可以在5到10分鐘內獲取單個細胞的三維結構圖像。

• 無損成像：基于“水窗”能量（280-530 eV）的軟X射線吸收特性，SXT-100可直接對全水合、冷凍樣本成像，避免化學固定或染色對結構的干擾。

• 結合熒光成像： SXT-100集成熒光顯微鏡功能，通過熒光信號定位目標區域（如納米顆粒、細胞器），再利用SXT獲取三維結構信息。

• 用于冷凍電鏡成像：成像后樣本可進一步用于冷凍電鏡（cryo-EM）或冷凍電子斷層掃描（cryo-ET），形成“光-電-射線”多尺度關聯成像（CLEXM）。

SXT-100的應用案例

• 酵母細胞脂噬過程研究

如下圖所示，SXT成像對冷凍酵母細胞（Saccharomyces cerevisiae）進行3D成像，可以非常直觀地展示脂滴（黃色）與消化液泡（棕色）的空間分布動態，揭示饑餓誘導的脂噬（lipophagy）機制。

• 納米藥物遞送在細胞內3D成像

如下圖所示，在HeLa細胞（HeLa）中，SXT-100成功追蹤100 nm熒光聚苯乙烯納米顆粒（NPs）的溶酶體共定位，可以提供熒光信息與納米藥物遞送載體在細胞內的3D共定位信息，為優化藥物載體設計提供結構依據。

• 復雜真核生物成像

如下圖所示，SXT-100可以對眼蟲（Euglena gracilis）的進行納米級3D無標記成像，結合熒光標記葉綠素進行三維結構表征，可以清晰呈現鞭毛、類核體及光合膜系統等復雜真核生物內的細胞器結構，為單細胞生物功能研究提供新視角。

關于 SiriusXT Ltd

SiriusXT Ltd是成立于愛爾蘭的科研設備制造廠商，主要致力于軟X射線顯微鏡的研發及生產，其產品SXT-100一經推出，就受到了市場的極大關注，憑借其特殊的優勢，獲得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 項目235萬歐元資助，支持其從細胞結構成像角度助力抗病毒藥物的研發。

關于Quantum Design 中國：

Quantum量子科學儀器貿易（北京）有限公司(暨Quantum Design中國子公司)成立于2004年，是美國Quantum Design公司在全世界設立的諸多子公司之一，在全權負責美國公司本部產品在中國的銷售及售后技術支持的同時，還積極致力于和世界范圍內物理、化學、生物領域的科學儀器制造商進行密切合作，幫助中國市場引進更多全球范圍內的優質設備和技術，助力中國科學家的項目研究和發展。

聯系我們：

Quantum Design 中國現已全面負責SiriusXT公司產品在中國市場的推廣宣傳、銷售、技術支持及售后服務！若您對實驗室型軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100有任何問題，歡迎通過電話：010-85120280、郵箱：info@qd-china.com聯系我們，我們將竭誠為您服務。