在不破坏细胞的前提下获取细胞内淀粉样蛋白聚集体的三维空间形态和化学信息一直是生物成像中的难题。为了攻克这一难题，美国波士顿大学程继新教授和麻省理工学院赵建博士及他们的合作者近期研发了多模态计算中红外光热显微镜。该成像系统将三维定量化学相位成像与二维荧光成像结合，在保持细胞完整的同时，成功的提取了细胞内淀粉样蛋白聚集体的三维形态信息，位点特异光谱信息和蛋白质二级结构的三维空间分布信息。
研究背景
对于tau蛋白聚集物（淀粉样蛋白的一种）的研究已成为神经退行性疾病领域的前沿热点。各种类型的tau蛋白聚集物，包括tau纤维和寡聚体，被认为与多种神经退行性疾病密切相关。然而，人们对于tau蛋白聚集物的形成和相关致病机制仍然知之甚少。研究tau蛋白聚集物需要能够在其细胞内的原生环境中表征其在三维空间内的形态分布和化学信息。多种不同类型的解决方案已经被尝试用于这一目的，例如X射线衍射，冷冻电镜技术，核磁共振波谱学，圆二色光谱学和基于原子力显微镜的红外光谱成像。这些方法在表征各种类型的淀粉样蛋白，包括tau聚集物方面取得了重要进展。然而，现有的解决方案存在诸多局限性，例如无法提供细胞内蛋白聚集物的位点特异光谱分析和三维形态分布。因此，在细胞内的液态环境中获取蛋白聚集物的三维化学信息仍然是一个巨大挑战。
创新研究
近日，美国波士顿大学光子学中心的程继新教授，麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的赵建博士，与其主要合作者 包括波士顿大学医学院的Benjamin Wolozin教授，波士顿大学电子与计算机工程系的田磊教授，以及相关团队成员，开发了新型多模态计算中红外光热显微镜，称为荧光引导的具备化学键选择性的强度衍射层析成像（FBS-IDT）。FBS-IDT将单光子二维荧光成像与化学三维强度衍射层析成像相结合。这种创新技术实现了对细胞液体环境中的tau纤维的分子特异性的三维化学成像和位点特异性中红外光谱分析。具体而言，FBS-IDT能够有效地从细胞内复杂的背景蛋白信号中提取目标蛋白聚集物的化学信息。FBS-IDT的三维化学成像具有高速（约0.05 Hz，最高可达6 Hz）和高分辨率（横向约350纳米，轴向约1.1微米）的优点。利用这种高光谱三维化学成像能力，FBS-IDT展示了细胞内的tau纤维和脂质积累之间的潜在相关性。更重要的是，这种技术能够提取深度分辨的中红外指纹光谱，并在三维空间中可视化细胞内tau纤维的蛋白质二级结构。
值得注意的是，FBS-IDT在液体环境中进行细胞内淀粉样蛋白聚集物和蛋白二级结构三维化学成像是基于无扫描、模块化的设计实现的。其充分利用了简单的附加光源来改造低成本的亮视野显微镜。FBS-IDT系统的成本至少比冷冻电子显微镜等最先进的成像技术低30倍，并且体积小，运行费用几乎可以忽略。这种经济实惠的台式可被大部分实验室的日常科研应用所接受。
图1 FBS-IDT原理以及工作流程图。
展望
FBS-IDT技术的低成本，模块化设计，以及对生物样本本身几乎无额外预处理的特点为细胞内原生环境下的蛋白聚集物三维成像和化学分析开辟了一条新途径。该技术预期能够为神经退行性疾病研究及其他类型的生物医学应用做出新的贡献。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为 “Mid-infrared Chemical Imaging of Intracellular Tau Fibrils using Fluorescence-guided Computational Photothermal Microscopy”, 赵建博士为本文的第一作者和通讯作者，程继新教授为本文的共同通讯作者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01191-6
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