NIST新型红外显微镜技术可对细胞中的生物分子进行细节成像

NIST 的新方法消除了红外测量中水的遮蔽效应，使研究人员能够确定细胞中关键生物分子的数量，如指导细胞功能的蛋白质。测量活细胞变化的能力可以加快生物制造、细胞疗法开发、药物开发等领域的进步。

他们的研究结果发表在《分析化学》上。

利用一种名为红外（IR）透射显微镜的成像技术拍摄的活细胞中核酸、脂质和蛋白质等生物大分子的图像。资料来源：Y. Lee/NIST

了解红外显微镜及其挑战

红外辐射是人眼可见光之外的光。虽然我们看不到红外光，但我们可以感觉到它的热量。在红外显微镜下，相关材料会吸收红外光谱中一系列波长的辐射。科学家通过测量和分析样品的红外吸收光谱，生成一组"指纹"，以识别分子和其他化学结构。然而，细胞内外最丰富的分子--水对红外线的吸收很强，会掩盖细胞中其他生物分子对红外线的吸收。

理解这种光学遮蔽效果的一种方法是将其与一架飞机从太阳旁边飞过时进行比较。由于太阳的缘故，肉眼很难看到飞机，但如果使用特殊的遮光滤镜，就可以很容易地看到天空中的飞机。

NIST 化学家 Young Jong Lee 说："在光谱中，水对红外线的吸收非常强烈，我们希望透过厚厚的水背景看到蛋白质的吸收光谱，因此我们设计了光学系统，以揭开水的贡献，并显示蛋白质信号。"

利用 SAC-IR 推进细胞分析

李开发了一种专利技术，利用光学元件补偿红外光对水的吸收。这项技术被称为溶剂吸收补偿（SAC），它与手工制造的红外激光显微镜配合使用，对支持结缔组织形成的细胞（成纤维细胞）进行成像。在12小时的观察期内，研究人员能够识别细胞周期各阶段（如细胞分裂）的生物大分子群（蛋白质、脂类和核酸）。虽然这看起来像是很长的时间，但这种方法终究比目前的替代方法要快，因为后者需要在大型同步加速器设施中花费光束时间。

这种名为 SAC-IR 的新方法是无标记的，这意味着它不需要任何染料或荧光标记，而这些染料或荧光标记会对细胞造成伤害，而且不同实验室得出的结果也不太一致。

SAC-IR 方法使 NIST 研究人员能够测量细胞中蛋白质的绝对质量，以及核酸、脂质和碳水化合物的绝对质量。这项技术有助于为细胞中生物大分子测量方法的标准化奠定基础，在生物学、医学和生物技术领域大有用武之地。

"例如，在癌细胞疗法中，当来自患者免疫系统的细胞被改造成能更好地识别和杀死癌细胞，然后再重新输入患者体内时，人们必须问：'这些细胞安全有效吗？"李说："我们的方法可以提供更多有关细胞生物分子变化的信息，从而评估细胞的健康状况。"

其他潜在应用包括利用细胞进行药物筛选，以发现新药或了解候选药物的安全性和有效性。例如，这种方法可以通过测量大量单个细胞中各种生物分子的绝对浓度来评估新药的药效，或分析不同类型的细胞对药物的反应。

未来的应用和改进

研究人员希望进一步开发这种技术，使其能够更精确地测量其他关键生物分子，如DNA和RNA。这项技术还能帮助详细解答细胞生物学中的基本问题，如哪些生物分子特征与细胞活力相对应--换句话说，细胞是活的、死的还是死的。

"有些细胞在冷冻状态下保存数月或数年，然后解冻供日后使用。我们还不完全了解如何才能最好地解冻细胞，同时保持细胞的最大活力。有了我们的新测量能力，我们也许就能通过观察细胞的红外光谱，开发出更好的细胞冷冻和解冻过程，"Lee 说。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1021/acs.analchem.4c02108