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应用

超分辨率荧光显微镜研究纳米生物相互作用

理解纳米材料与生物系统之间的相互作用对于提高纳米药物的有效性和加深对生物领域的理解起着至关重要的作用。荧光显微镜是一种强大的光学成像技术,可以直接观察细胞内微环境中荧光标记纳米材料的行为。然而,传统的荧光显微镜,如共聚焦显微镜,由于光的衍射而具有有限的光学分辨率,因此无法提供直径小于 250 nm 的纳米材料的精确细节。幸运的是,超分辨率荧光显微镜的发展克服了分辨率的限制,能够对纳米细胞相互作用进行更全面的研究。在此,我们总结了通过各种超分辨率显微技术研究的纳米细胞相互作用的最新进展。

01研究结果

超分辨率显微镜可大致分为两大类:“真正的”超分辨率技术捕捉倏逝波中包含的信息并直接给出超分辨率图像;和“功能性”超分辨率技术,使用智能实验技术和对被成像样本的已知限制来重建和产生确定性(利用非线性荧光团的响应)或随机(利用荧光团的复杂时间行为)超分辨率图像。超分辨率方法也可以通过三个著名的家族来识别,如图 1 所示,包括(i)“结构化照明”SIM (ii) “受激发射损耗”方法STED;和(iii) “单分子定位”方法,其中单个荧光分子按顺序定位,并以采集亮点方式重建图像。其中SIM、STED、STORM、PALM、PAINT等多种超分辨率技术已成功应用于生物领域。

图1. 超分辨率方法目录及其用于观察纳米材料的代表性机制的说明,包括结构化照明、受激发射损耗和单分子定位

2.1 结构照明显微镜(SIM)

使用共聚焦显微镜和 SIM 检测 HeLa 细胞中的金属氧化物纳米粒子。他们表明,当使用 SIM 成像时,通过共聚焦显微镜获得的图像中似乎是纳米颗粒和溶酶体共定位的一些区域被证明不是真正的共定位。纳米颗粒可能包含在其他膜结合结构(例如,内体)中(图 2i)。在这种情况下,SIM 能够更准确地识别与溶酶体共定位的纳米颗粒,这有助于纳米药物载体设计,该载体设计结合了 pH 触发的药物释放,以实现精确的治疗有效载荷递送。

2.2 受激发射损耗显微镜(STED)

图 3 STED 研究的纳米细胞相互作用,包括纳米颗粒的内吞作用机制和内化量化

2.3 随机光学重建显微镜(STORM)

图4 STORM 研究的纳米细胞相互作用,包括摄取机制和蛋白冠的形成

2.4 光活化定位显微镜(PALM)

如图 5i 所示,纳米颗粒(红色)首先粘附在质膜上,而网格蛋白(蓝色)不可见。 然后,CCP 信号逐渐增强,表明 cla-thrin 向该站点募集。 在这 55 ± 23 秒的持续时间内,纳米粒子的发射强度基本保持不变。 CCP 信号达到峰值后,纳米颗粒强度开始降低。 在后期(45-75 秒),在 CCP 的 PALM 图像和纳米粒子轨迹中都观察到了 100 nm 的横向运动,这可能是由于纳米粒子在胞内区。 虽然这项工作只关注网格蛋白介导的内吞作用,但它为研究 PALM 纳米颗粒的其他内吞作用机制开辟了一条途径。 PALM 还被用来表征和量化 10 nm 分辨率下不同刚度的 RGD 矩阵上的早期整合素簇(图 5ii)。 结果表明,非常早期的粘连由 50 个 β3 激活的整联蛋白的 100 nm 簇组成。 这些早期的粘连形成类似地在柔性和刚性基材上,但是大多数粘附在刚性基材上是暂时的。

过去的十年中,随着超分辨率技术的整合,纳米细胞相互作用中的光学显微镜领域经历了复兴。尽管仍然存在一些担忧,超分辨率显微镜与其他荧光显微镜技术一样,依赖于细胞内荧光分子的表达,通常是通过引入可直接影响细胞生理的外部基因,因此可能无法反映“真实”的纳米细胞相互作用,毫无疑问,超分辨率技术的发展代表了一项重大进步,也是了解纳米材料在生物领域之旅中的行为的有力工具。

在本研究中, 这项2014年诺贝尔化学奖的发现已在国内实现产业化。 宁波 威尼斯电子游戏大厅科技 有限公司 (INVIEW) 现已发布超高分辨率显微系统 iSTORM ,采用3D随机光学重构技术、高精度细胞实时锁定技术、多通道同时成像技术等,以 纳米级观测精度高稳定性广泛环境适用快速成像简易操作 等优异特性,获得了超过50家科研小组和100多位科研人员的高度认可。

1. Advances in super-resolution fluorescence microscopy for the study of nano–cell interactions

威尼斯电子游戏大厅入口(INVIEW)是专业从事超高分辨率显微技术和产品研发的科技企业,依托复旦大学的自动控制、新一代信息技术及香港科技大学的生物、光学、图像处理等的技术,拥有光学、生物、自控、机械、信息技术等多领域交叉学科技术团队,将2014年诺贝尔化学奖技术产业化,推出了超高分辨率显微产品,帮助人们以前所未有的视角观察微观世界,突破极限,见所未见。

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