單細胞納米藥物及亞細胞結構無標記原位同步輻射成像技術獲重要突破

　　11月13日，中國科學院國家納米科學中心陳春英團隊在《自然-實驗手冊》（Nature Protocols）上，發表了題為In situ label-free X-ray imaging for visualizing the localization of nanomedicines and subcellular architecture in intact single cells的原創性方法學研究論文。

　　探究納米藥物的細胞內行為以及受納米材料-生物相互作用影響的亞細胞結構的形態變化，是研究納米藥物的生物活性和安全性評價的重要內容。解析納米藥物-細胞互作的基本原理和機制，對于準確把握納米藥物的生物學效應具有重要意義，為高效低毒納米藥物的精確設計和臨床轉化提供指導和支持。生物微環境和細胞結構的復雜性以及胞內納米藥物化學形態的動態變化等，對納米尺度下單細胞的原位無標記分析帶來了挑戰。

　　同步輻射X射線具有亮度高、高準直性好、波譜連續等特點，同時，穿透能力強，無需標記樣品即可產生吸收、熒光、散射和衍射等信號。基于同步輻射的X射線分析技術具有高分辨、高靈敏、元素特異、定量分析、樣品制備簡單等優點，可在分子、細胞和組織水平實現對納米藥物在自然或準自然生物體系中的行為和命運的原位研究，提供納米藥物的空間分布、體積、數量、密度甚至價態信息以及細胞或組織的形態與數量變化。

　　陳春英課題組率先建立了基于同步輻射大科學裝置的創新分析方法，突破了復雜生物體系納米材料的原位、無標記分析技術瓶頸，形成了納米材料在分子-界面-細胞-組織-活體跨尺度生物分析的研究新范式。課題組在定量解析納米-生物界面大分子（蛋白質、磷脂等）相互作用、定性表征納米材料在單細胞內三維空間分布、細胞器相互作用及生物體內的化學行為方面，取得了一系列創新成果。這些先進方法為納米生物效應與納米醫學研究，提供了關鍵的分析手段，推動了納米生物醫學的發展。

基于同步輻射軟、硬X射線成像技術用于無標記原位分析單細胞納米藥物和亞細胞結構

　　該研究系統總結了課題組過去多年來建立的同步輻射軟、硬X射線成像技術用于單細胞結構和納米藥物的無標記原位成像方法（圖a）。該方法可以在納米分辨率下直接可視化二維或三維細胞內分布，無需標記便可分析納米藥物的原位化學轉化。這一方法描述了分析單細胞亞結構和納米藥物的技術細節和優化的實驗工作流程，包括細胞樣品制備、數據采集和分析三個關鍵步驟（圖b）。以幾種模型生物納米材料為例，該方法提供了單細胞納米藥物原位分析實用的指導原則。該方案可由具備基本生物學和化學技能的研究人員在2~5天內完成。

　　該技術方案為利用同步輻射X射線成像原位、無標記觀察亞細胞結構和納米藥物的胞內行為提供了系統的研究策略，對于指導科研人員選擇X射線成像方法、制備樣品和處理數據具有重要價值。該研究策略具有可擴展性，適用于闡釋納米-細胞互作的基本原理和機制，也是探究細胞成分改變、生物元素的動態平衡、金屬基材料藥理學和毒理學評價的有力工具，可應用于諸多研究領域如化學測量學、細胞生物學、納米生物醫學和材料科學等。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、博士后創新人才支持計劃以及上海光源、北京光源和合肥光源等的支持。