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新一代高分辨化学成像显微镜，突破荧光限制，开启生命科学新纪元！

导读：

近年来，光学显微镜的技术发展日新月异。其中，荧光显微镜技术的迅猛发展更是极大地改变了生命科学的研究方式，已经成为目前生命科学研究者对细胞、组织进行成像的首选方法。

然而，荧光显微镜技术均需要对成像目标进行荧光分子探针标记。这类荧光分子探针常易受光、氧、温度、pH等因素的影响，从而失去活性，导致实验数据不准确；并且有些荧光探针对不同的目标分子具有一定的亲和性，这导致无法对目标分子进行准确的测量，特异性不高。此外，由于荧光显微镜的波段限制，一次实验通常不能使用超过6种颜色的荧光标记分子。这些技术条件限制了荧光显微镜技术在生物科学领域的进一步拓展应用，尤其在代谢组学、细胞生物学、药物学等需要对多种类目的蛋白或化合物进行成像的研究领域，科研工作者亟需一种能够兼具荧光成像和化学成像功能的新型显微镜技术。

新一代化学成像显微镜

美国PSC公司研发的新一代高分辨化学成像显微镜——mIRage，极大地拓展了光学显微镜的应用。mIRage不仅具备传统荧光显微镜的荧光成像功能，还采用新型光学光热红外（O-PTIR）技术，能够对物质的分子结构进行无荧光标记的化学成像，解决了传统化学成像空间分辨率低的问题，其化学成像分辨高达500 nm，可在亚微米尺度上对细胞或组织内的目的蛋白或分子进行表征。这为代谢组学、细胞生物学、药物学等多个生命科学研究领域提供了新的手段，是对传统光学显微镜的全新拓展和补充。

mIRage部分应用领域

新一代高分辨化学成像显微镜——mIRage

mIRage的特有优势：

• 亚微米空间分辨的红外光谱和拉曼高光谱成像（~500 nm）；

• 与透射模式相媲美的反射模式下的图谱效果；

• 非接触测量模式—使用简单快捷，无交叉污染风险；

• 很少或无需样品制备过程(无需薄片), 可测试厚样品；

• 可透射模式下观察溶液中的样品；

• 实现同时同地相同分辨率的IR和Raman测试；

• 荧光显微成像实现荧光标记样品快速定位。

一、mIRage助力单细胞脂质代谢成像分析

加州大学圣巴巴拉分校的Kenneth S. Kosik研究组以棕榈酸叠氮化物（azide-PA）作为探针，使用mIRage检测体外细胞模型中新合成的脂质以研究细胞脂代谢。该成果以Single-cell mapping of lipid metabolites using an infrared probe in human-derived model systems为题发表在Nature communication（影响因子16.6 ）上。

在本研究中，该团队构建了一个单细胞代谢成像平台，能够在各种人类衍生的 2D 和 3D 培养系统中以高特异性直接成像脂质代谢。通过加入叠氮化物标记的红外探针（azide-PA），可用作核苷酸的修饰标记，脂肪酸代谢的分子探针；azide-PA加入培养基后，可被细胞利用合成甘油三酯，磷脂和固醇类。mIRage检测azide-PA的光谱结果显示和PA相比，其在2100cm^-1具有叠氮基团的吸收峰，因此azide-PA非常适合用于检测细胞内的脂质分布。该团队通过此体系在前颗粒蛋白敲低的人类诱导多能干细胞及其分化的小胶质细胞中发现了上调的脂质代谢。

如上图所示，该团队将hiPSC与神经胶质细胞在含有azide-PA的培养基中培养24h后，使用mIRage进行成像发现，神经胶质细胞在2096 cm^-1和1744 cm^-1的信号强度（图A&图B），及总脂质/蛋白比（1740/1650）与新合成脂质/总脂质比（2096/1740）均高于hiPSC（图C&图D），表明在hiPSC分化过程中脂质的合成更加活跃，脂质的合成可能与早期脑发育有关。

综上所述， mIRage可以在亚微米水平进行高分辨率的单细胞化学成像分析，这项技术将带来更多生物领域的新发现，助力开发更有效的疾病疗法。

二、mIRage助力单细胞化学成像

瑞典隆德大学的Oxana Klementieva与Gunnar K. Gouras团队使用光热红外和X射线荧光直接对神经元中的微量元素和相关分子结构进行化学成像，在这一研究中该团队使用mIRage对单神经元细胞中β淀粉样蛋白的分布和结构进行了分析，该成果在2021年以Correlative optical photothermal infrared and X-ray fluorescence for chemical imaging of trace elements and relevant molecular structures directly in neurons为题发表于Light: Science and Applications（影响因子20.6）上。

在这项研究中，该团队结合了两种位于电磁波谱两端的成像模式用于直接评估单个神经元中的结构和化学信息。结合基于新型光热红外 (O-PTIR)和同步加速器 X 射线荧光 (S-XRF) 纳米成像技术的无标记超分辨率微光谱进行亚细胞成像并捕获了同一神经元中β淀粉样蛋白的纤维形式。该研究发现在原代AD样神经元中，铁簇与升高的淀粉样蛋白β片层结构和氧化脂质共定位。

如上图所示，该团队使用mIRage和S-XRF对单细胞整合成像，该团队首先使用mIRage可视化了β淀粉样蛋白片层结构和氧化脂质的分布（图a）；然后，使用S-XRF，可视化了相同神经元中金属离子的分布（图b）。通过拟合mIRage和S-XRF图像可以发现金属铁簇的位置与升高的β淀粉样蛋白片层结构和氧化脂质高度相关（图c和d）。

这项研究使用mIRage/S-XRF联合单细胞成像证明了聚集铁与升高的β淀粉样蛋白片层结构共定位的显著相关性，表明用 Aβ(1–42) 治疗可能导致Fe失衡，进而可能导致脂质氧化。该研究表明mIRage无需标记即可直接对新鲜的生物样本进行检测，分辨率达亚微米水平，代表了单细胞化学显微成像技术的新突破。

三、mIRage助力开发新型纳米无定形载药颗粒

中国医学科学院医药生物技术研究所的王璐璐团队开发了基于益生元的阿托伐他汀（AT）纳米无定形载药颗粒（PANA），借助mIRage成功实现对该载药颗粒的原位成分分析。该结果以Prebiotic-Based Nanoamorphous Atorvastatin Attenuates Nonalcoholic Fatty Liver Disease by Retrieving Gut and Liver Health为题发表于Small Structures （影响因子13.9）上。

在本研究中，该团队构建了一种基于益生元的AT 纳米无定形载药颗粒(PANA)，通过恢复肝脏和肠道健康来提高 AT 对非酒精性脂肪性肝（NAFLD）的疗效。非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD) 的发病机制是多因素和复合性的，其中脂质代谢紊乱引起的脂毒性是主要危险因素之一。阿托伐他汀 (AT) 是最广泛使用的降脂药物，然而，AT在肠道中的吸收率较低且该药物会对肠道菌群造成破坏。与口服AT相变，构建PANA载药颗粒在肝脏组织中表现出更好的药物积累。此外，PANA干预有效恢复了肠道健康，重建的肠道菌群，并改善了肠道免疫力、屏障完整性和炎症。

如上图所示，该研究团队使用mIRage对PANA的化学成分与空间分布进行了鉴定。上图为菊粉（益生元主要成分）、AT、PANA的红外光谱。PANA中随机选择的样品的红外拉曼光谱如图C（左）所示。AT中1,523 cm^-1处的羰基吸收在菊粉样品中没有信号为AT的特征峰（菊粉无此吸收峰）。按照 1,523 cm^-1（绿色）和 1,036 cm^-1（红色）的映射，活性 AT 和益生元基质的图像在扫描区域（黄色）显示出相同的分布，这意味着 AT 和菊粉在颗粒中均匀混合。此外，在 PANA 颗粒中可以观察到 AT 在 1,580 cm^-1的苯吸收、1,457 cm^-1的强 C-C 吸收和菊粉在 1,164 cm^-1 的 C-O 拉伸。这些分析清楚地证实了活性药物在益生元基质中的封装和相对均匀的分布。

这项研究使用mIRage对载药颗粒进行了化学显微成像，准确表明不同化学成像在药物颗粒内的空间分布，为制药工程探索药物成分的空间分布提供了线索。

四、mIRage助力检测环境微塑料

南京大学季荣教授与美国麻省大学邢宝山教授等合作，利用先进的mIRage O-PTIR显微光谱仪，建立了（微）塑料表面亚微米尺度化学变化表征方法，首先证实了蒸汽消毒引起硅橡胶老化具有普遍性，发现了一个曾被忽视但重要的人体及环境中微纳塑料的来源。该工作以Steam disinfection releases micro(nano)plastics from silicone-rubber baby teats as examined by optical photothermal infrared microspectroscopy为题发表在Nature Nanotechnology（影响因子37.8）上。

该团队成功应用mIRage化学成像显微镜揭示了硅橡胶奶嘴在蒸汽消毒过程中生成含有环状/支化聚硅氧烷或聚酰亚胺微纳塑料的过程及机制，发现了一个曾被忽视但重要的人体及环境中微纳塑料的来源（见下图）。

研究发现，硅橡胶婴儿奶嘴的主要成分为聚二甲基硅氧烷（PDMS）及树脂添加剂聚酰胺（PA）(图b和c)，在经过蒸汽消毒（100 °C）时表面发生降解并释放出微纳塑料颗粒(图a)。借助mIRage特有的化学成像技术，作者统计了奶嘴消毒过程中PDMS降解产生的1.5 μm以上塑料颗粒数量，并估算出正常奶瓶喂养一年进入婴儿体内的该类微塑料总量约为66万颗，比此前文献报道的儿童从空气、水和食物中摄入的热塑性微塑料数量之和高出一个数量级；假如这些微塑料全部被排入环境，全球平均排放量可能高达5.2万亿个/年。

上述结果表明mIRage可以在无标记条件下对微塑料进行化学成像。

除了上述应用外，mIRage这一荧光、红外、拉曼三合一的化学成像显微还在多个科研领域有所应用：

1. 环境微塑料