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中国科大新研究成果:肝癌细胞拍出“超清写真”

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新安晚报 澳门美高梅注册网 大皖 客户端讯 记者从中国科学技术大学获悉,该校杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室研制出细胞原位纳米磁共振成像实验平台,与中科院生物物理所徐涛院士团队合作,实现了对细胞原位铁蛋白分子中铁离子的磁性自旋成像,将原位蛋白质磁成像分辨率推进到了10纳米以下,为肝癌细胞拍出“超清写真”。该研究成果以“Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell”为题,发表在2019年4月出版的《科学•进展》期刊上。

原子核处于外磁场中,能够吸收和放出对应频率的电磁辐射,发生磁共振现象。现代医学广泛使用的磁共振技术就是利用这个原理成像。然而,传统磁共振技术的空间分辨率在微米级别以上,无法对人体细胞内部分子成像。细胞内的生物分子大小为纳米级别,产生的磁信号非常弱,线圈传感器探测不了,拍不出“高清照片”,看不到单分子美妙结构。在细胞原位实现生物分子的纳米级磁共振成像和结构解析一直是生物学研究的“皇冠”难题。

杜江峰院士领导的团队2015年发表在《科学》杂志上的研究已经表明,基于钻石中的氮—空位点作为量子传感器,能够探测单个蛋白质分子的磁共振谱,杜江峰团队在室温大气条件下获取了世界首张单个蛋白质分子的磁共振谱,实现了单分子磁共振的突破。2018年,该团队又在液体环境探测到了单个DNA分子的磁共振谱,实现了与生理环境的对接。

今年,杜江峰团队更进一步,自主研制出细胞原位纳米磁共振成像实验平台,该实验平台的关键器件是“钻石传感器”。将钻石晶体结构中的一个碳原子(6个电子)替换成氮原子(7个电子),加上紧邻氮原子旁边的一个空位,这就形成了“钻石传感器”的核心——氮-空位点缺陷,它等效为一个单电子自旋量子比特。“钻石传感器”能够感应并接收到来自样品的微弱的磁信号,在激光和微波操控下,再将接收到的细胞分子的磁信号转换成光信号,用光子探测器读出信号并结合原子力显微镜进行成像。

杜江峰团队自制的纳米磁共振成像实验平台,能搭载着细胞样品,精准地靠近“钻石传感器”。为方便“钻石传感器”收集磁信号,细胞样品在悬臂梁的带领下,结合原子力显微镜的扫描方法,在空间上钻石传感器以纳米级别的位移“走遍”整个细胞剖面,最终实现对细胞内分子的成像。

这个纳米磁共振成像实验平台,要“诊断”的“病人”是人的肝癌细胞株(HepG2)。细胞内的铁蛋白分子中含有铁离子,其在室温下具有顺磁性,在纳米磁共振成像实验平台上,它发出的磁信号可以被“钻石传感器”探测到。

为了让“调皮”的铁离子得到准确地检查,最好是在原位为铁离子成像。原位是指测量时不改变物质的原始条件或把物质从原来的系统中隔离出来。

课题组通过高压冷冻替代方法将活细胞瞬间“冻住”,并用树脂类材料包裹起来,再用切片的方法将表面修剪成纳米级平整度。这样,蛋白质分子就会暴露在细胞剖面上,但又不会改变蛋白质分子的原始条件,保证了铁离子还存在于原有的系统中。

原子力显微镜就像体检床,搭载着处理过的细胞样品,在磁成像平台上进行扫描成像。最终,研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白,而且分辨率达到了10纳米。

此次研究成果为未来实现细胞原位蛋白质磁共振成像打下了良好的技术基础,也为开展细胞原位分子尺度的磁共振谱学研究提供了可能。

范琼 新安晚报 澳门美高梅注册网 大皖客户端记者 陈牧

责任编辑:吴月峰
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文章关键词: 中国科大新研究成果 肝癌细胞拍出超清写真 肝癌细胞写真
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