给肝癌细胞拍"超清写真","钻石传感器"分辨率可达10纳米

昨日,中国科大发布消息,该校杜江峰院士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。

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  4月23日,中国科学技术大学传来消息,该校科研人员与合作者利用自主研制的“钻石传感器”,能给肝癌细胞拍“超清写真”,且分辨率达到了10纳米。

  据悉,中国科学技术大学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的磁性成像,将原位蛋白质磁成像分辨率推进到了10纳米,达到了以上成果。


纳米磁共振成像实验平台示意图


传统的磁共振成像技术,无法拍出“高清照片”

  在细胞原位实现纳米级分子成像是生物学研究的重要目标之一。在众多成像技术中,磁共振成像技术能够快速、无破坏地获取样品体内的自旋分布图像,已经广泛应用在多个科学领域中。特别是在临床医学中,因其对生物体几乎无损伤,对疾病的机理研究、诊断和治疗起着重要的作用。

  然而,传统的磁共振成像技术使用磁感应线圈作为传感器,空间分辨率极限在微米以上,而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”,看不到单分子结构。

  因此,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”级难题。

纳米磁共振成像实验平台,搭载细胞样品

  为突破磁共振成像的分辨率极限,杜江峰课题组使用钻石中的氮-空位固态点缺陷单自旋作为磁敏感单元(简称“钻石传感器”),自主研制了细胞原位纳米磁共振成像实验平台。

    “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。

       这个自制的纳米磁共振成像实验平台,就像一架原子力显微镜,它能搭载着细胞样品,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。

“钻石传感器”成像分辨率可达10纳米

  该工作使用铁代谢和铁蛋白功能研究中的模式细胞——人的肝癌细胞株(HepG2)进行纳米磁成像实验研究。磁性信号来源于铁蛋白分子内的铁离子,在室温下具有顺磁性。

       首先研究人员使用高压冷冻替代方法将活细胞瞬间固定并包埋,然后用切片的方法将细胞剖开,并用基于钻石刀的超薄切片技术将表面修整成纳米级平整度。这时,存在于细胞内部的蛋白质暴露在细胞剖面上,可以与钻石传感器近距离接触。

       通过对样品进行扫描,研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白,分辨率达到了10纳米。为了拓展成像功能,实验小组还发展了电镜-磁关联成像技术,同时使用两种不同的技术手段实现了对同一铁蛋白团簇的观测。

  该成果将细胞内蛋白质分子磁成像的空间分辨率提高了近2个数量级,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。

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