高分辨化學成像顯微鏡助力組織內微塑料與植物化學成像研究

瀏覽次數：263　發布日期：2025-3-14　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

導讀

近年來，熒光顯微鏡技術的迅猛發展極大地改變了生命科學的研究方式，已經成為研究者對細胞、組織進行成像的重要方法。傳統熒光顯微鏡雖能快速實現目標定位，但存在諸多局限性。在組織內微塑料成像方面，其依賴的熒光標記易脫落、熒光強度會衰減，特異性檢測難以實現，且易受組織內其他熒光物質的干擾，空間分辨率也無法清晰呈現微塑料的分布和形態。在植物化學成像中，熒光標記存在標記困難、特異性差以及可能干擾細胞生理過程等問題，同時，傳統熒光顯微鏡在空間分辨率和化學信息獲取上能力有限，難以在亞微米尺度上對植物細胞內的復雜化學成分進行精確成像和分析。這些問題嚴重限制了微塑料在組織內行為和植物細胞內化學成分的深入研究。

新一代化學成像顯微鏡

美國PSC公司研發的新一代高分辨化學成像顯微鏡——mIRage，為上述問題提供了創新性解決方案。mIRage除了兼具傳統熒光顯微鏡的熒光成像功能之外，還采用新型光學光熱紅外（O-PTIR）技術，實現了對物質的分子結構進行化學成像，突破了傳統化學成像在空間分辨率上的瓶頸，其化學成像分辨高達500 nm，可在亞微米尺度上表征細胞組織內的非標記目的蛋白或分子。這種直接對分子結構進行無標記化學成像的能力，有效解決了熒光顯微鏡在化學成分分析上的不足。在微塑料研究中，即使是粒徑僅為2 μm的微塑料顆粒，mIRage也能對其進行高分辨率的化學成分分析，獲得清晰的紅外光譜圖，解決了傳統方法無法分析微小顆粒成分的難題。在植物研究中，mIRage能夠對植物細胞壁中的纖維素、木質素等成分進行無標記的化學成像，清晰呈現其分布情況，為植物代謝組學研究提供了有力支撐。

高分辨化學成像顯微鏡——mIRage

mIRage的特有優勢：
• 亞微米空間分辨的紅外光譜和拉曼成像（~500 nm）；
• 與透射模式相媲美的反射模式下的圖譜效果；
• 非接觸測量模式—使用簡單快捷，無交叉污染風險；
• 很少或無需樣品制備過程(無需薄片), 可測試厚樣品；
• 可透射模式下觀察溶液中的樣品；
• 實現同時同地相同分辨率的IR和Raman測試；
• 熒光顯微成像實現熒光標記樣品快速定位。

作為美國PSC公司在中國的獨家代理，Quantum Design中國于2020年將高分辨化學成像顯微鏡—mIRage系統引入國內，助力科研工作者在多個研究方向取了眾多突破性成果，以下將針對組織內微塑料等領域的成果，展示mIRage的超卓性能和先進技術。

一、助力組織內微塑料的成像與分析

中國科學院生態環境研究中心的科研團隊利用光學光熱紅外技術（O-PTIR），以聚乙烯納米塑料（PE-NPs）為研究對象，深入剖析了小鼠模型中PE-NPs的分布和影響。該研究聚焦于父代暴露于PE-NPs對自身及其后代生殖健康的潛在影響，以及腸道微生物群和微RNA（miRNA）在這一過程中的作用機制。研究成果以“MicroRNA and Gut Microbiota Alter Intergenerational Effects of Paternal Exposure to Polyethylene Nanoplastics”為題發表于《ACS Nano》（影響因子15.8）上。

科研人員利用光學光熱紅外技術（O-PTIR），成功檢測了聚乙烯納米塑料（PE-NPs）在小鼠血清和睪丸組織中的分布情況。該技術通過檢測樣品因紅外吸收產生的光熱效應，實現了亞微米級別的高分辨率成像，能夠精確定位PE-NPs的存在。其非接觸式的檢測方式，避免了對生物組織的損傷，尤其適用于復雜生物樣品的分析。

如上圖所示，研究人員借助O-PTIR技術對檢測到的聚乙烯特定振動頻率（2917.33, 2848.55, 1462.04, 和 1118.71 cm⁻¹）的成像，揭示了PE-NPs在F1代雄性小鼠睪丸組織中的分布特征，為深入理解PE-NPs對生殖健康的潛在影響提供了重要證據，證實了父代暴露于PE-NPs不僅影響自身健康，還可能通過跨代效應影響后代的生殖健康。

二、助力植物的化學成像

法國國家農業食品與環境研究院（INRAE）的Nicolas Reynoud研究團隊利用高分辨化學成像顯微鏡mIRage，結合原子力顯微鏡（AFM）和拉曼光譜技術，對番茄果實表皮的角質層在果實發育過程中的微觀結構和力學性質進行了多模態成像研究。研究發現，角質層的力學性質在果實發育過程中表現出顯著的空間和時間異質性，包括深度方向的力學梯度和“柔軟”的中央凹槽。這些力學性質的變化與角質層的化學和結構異質性密切相關。該成果以“Cuticle architecture and mechanical properties: a functional relationship delineated through correlated multimodal imaging”為題發表于《New Phytologist》（影響因子10.3）上。

如下圖所示，通過O-PTIR技術，研究者觀察到角質層中脂質、多糖和酚類化合物的空間異質性。在角質層深度方向，從表皮細胞表面到角質層表面，cutin/多糖比例呈現梯度變化，cutin含量逐漸增加。在果實發育的后期（40天后），角質層中酚類化合物（如p-香豆酸和黃酮類）積累增多，且主要分布于角質層的特定區域。通過將O-PTIR成像數據與AFM測得的彈性模量進行相關性分析，發現結晶纖維素和果膠的拉曼強度與彈性模量呈正相關，而脂質和p-香豆酸的拉曼強度與彈性模量呈負相關。在角質層中央凹槽區域，O-PTIR成像顯示其化學成分與周圍區域存在差異，這可能與該區域較低的彈性模量有關。

通過使用mIRage顯微鏡進行的O-PTIR技術，研究者揭示了番茄果實角質層在果實發育過程中化學成分的深度分布和變化，明確了這些化學異質性與角質層的納米力學性質密切相關，為理解植物角質層的結構-功能關系提供了新的視角，也為仿生材料的設計奠定了理論基礎。

三、助力藥學研究:開發新型納米無定形載藥顆粒

中國醫學科學院醫藥生物技術研究所團隊開發了基于益生元的阿托伐他汀（AT）納米無定形載藥顆粒（PANA）。該團隊借助mIRage成功實現對該載藥顆粒的原位成分分析。該結果以"Prebiotic-Based Nanoamorphous Atorvastatin Attenuates Nonalcoholic Fatty Liver Disease by Retrieving Gut and Liver Health"為名發表于Small Structures（影響因子13.9）上。

非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD) 的發病機制復雜，脂質代謝紊亂引起的脂毒性是主要危險因素之一。阿托伐他汀 (AT) 雖為廣泛使用的降脂藥物，但存在腸道吸收率低、破壞腸道菌群等問題。研究者構建的PANA載藥顆粒在肝臟組織中藥物積累效果更佳，且能有效恢復腸道健康，重建腸道菌群，改善腸道免疫力、屏障完整性并減輕炎癥。

如上圖所示，該研究團隊使用mIRage對PANA的化學成分與空間分布進行了鑒定。通過分析菊粉（益生元主要成分）、AT、PANA的紅外光譜，發現AT 和菊粉在顆粒中均勻混合。PANA中隨機選擇的樣品的紅外拉曼光譜如圖C（左）所示。AT中1,523 cm^-1處的羰基吸收在菊粉樣品中沒有信號為AT的特征峰（菊粉無此吸收峰）。按照 1,523 cm^-1（綠色）和 1,036 cm^-1（紅色）的映射，活性 AT 和益生元基質的圖像在掃描區域（黃色）顯示出相同的分布。此外，在 PANA 顆粒中可以觀察到 AT 在 1,580 cm^-1的苯吸收、1,457 cm^-1的強 C-C 吸收和菊粉在 1,164 cm^-1 的 C-O 拉伸。以上數據清楚地證實了活性藥物在益生元基質中的封裝和相對均勻的分布。