台式软X射线显微镜，摆脱同步辐射束缚，透视生命奥秘！

在生命科学领域的发展征程中，科学家们始终追求一种既能“看清”细胞内部精细结构，又无需破坏样本的成像技术。从光学显微镜的诞生到电子显微镜的突破，每一步的技术革新都推动着生物学的发展。近年来，软X射线显微镜（Soft X-ray Microscopy, SXM）的崛起，正在改写生命科学研究的规则。它不仅能以纳米级分辨率揭示细胞的三维结构，还避免了传统技术对样本的损伤。本文将探索软X射线的历史脉络、在生命科学中的突破性应用，以及它如何从一众光学技术中脱颖而出。

一、软X射线的历史：从萌芽到崛起

1. X射线的诞生与早期探索

1895年，威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）发现了X射线，开启了人类透视物质内部结构的新纪元。然而，早期X射线波长较短（硬X射线）、穿透力过强，难以对生物样本（如细胞）实现高对比度成像。

威廉·伦琴与第一张X光片

2. 软X射线的崛起

到了20世纪70年代，随着同步辐射光源的发展，波长介于0.1–10 nm的软X射线逐渐进入科学家视野。其能量（100 eV–1 keV）恰好与生物分子中碳、氧、氮等轻元素的吸收边匹配，使得无需染色即可区分细胞内的脂质、蛋白质和核酸。

2005年，David T. Attwood团队在《Nature》发表论文，首次将软X射线显微镜的分辨率提升至15 nm，标志着该技术进入实用阶段^[1]。

3. 技术突破：从同步辐射到实验室光源

早期软X射线显微镜依赖大型同步辐射装置（如欧洲的ESRF、美国APS、日本SPring-8以及国内的BSRF等），成本高昂且满负荷运转。近年来，随着实验室级光源（如激光等离子体源、高次谐波产生技术）的突破，使软X射线成像逐步走向“小型化”。将巨大的同步辐射光源“搬进”实验室成为了众多科学仪器厂家梦寐以求的目标。

来自爱尔兰的SiriusXT公司经过数年研发，创新性的推出了实验室型软X射线细胞结构显微镜——SXT-100。SXT-100 能够对细胞及细胞器的结构进行3D高分辨率无标记成像，能够获得细胞的整体3D结构、体积、组成，并捕捉稀有生理现象，主要应用于细胞结构分析、病毒学研究、药物研发等。SXT-100的问世有着非常重要的意义，标志大型的同步辐射成像装置终于被“搬进”了实验室！

实验室型软X射线细胞结构显微镜——SXT-100的优势：

☆  细胞原生状态进行成像

☆  40 nm的3D空间分辨率

☆  样品无需染色处理

☆  具有多通道荧光成像功能

☆  制样步骤简单，可以与荧光显微镜及电镜联用，实现CLE“X”M

二、软X射线在生命科学中的应用

1. 细胞整体3D成像

软 X 射线显微镜可在几十纳米的空间分辨率下对整个单细胞进行快速成像，且无需固定或标记。此前，该技术仅限于约10 μm厚的样品，因此不可能使用大型人类细胞或多细胞标本成像。然而采用基于较长的景深和半速度断层扫描的方法，很容易适用于配备全旋转标本阶段的显微镜。这为大型人类细胞（例如癌症研究中通常看到的细胞）以及细胞对细胞相互作用提供了可能^[2]。

U2OS细胞的整体3D成像

2. 胰岛细胞分泌胰岛素的全过程

阐明细胞结构与功能之间的关系，需要对完整细胞进行纳米尺度的成像，以展示细胞受到刺激后的亚细胞器重排；软 X 射线显微镜可以生成葡萄糖刺激胰岛素分泌后不同时间点完整胰岛β细胞的三维重建图像。刺激后的重建图像显示了胰岛素囊泡分布模式的明显差异，反映了它们在分泌途径中移动时囊泡池大小的变化。这项研究为细胞响应中细胞器的协调结构重组和相互作用提供了独特的视角^[3]。

左图为软X射线显微镜拍摄的β细胞的3D整体图；胰岛素insulin granules (黄色), 线粒体mitochondria 粉色)以及细胞核 nucleus (蓝色)；

3. 细菌耐药机制的研究及新兴疫苗的研发

白色念珠菌能够在无害的单细胞表型和导致念珠菌病的侵袭性多细胞形态之间进行表型转换。越来越多的念珠菌菌株对抗真菌药物产生耐药性，这使得念珠菌病的治疗变得困难，尤其是在免疫功能低下或危重症患者中。因此，迫切需要开发能够绕过真菌耐药机制的新药。在这项工作中，作者使用软 X 射线显微镜对白色念珠菌在表型转换以及用抗真菌肽类药物（一类不受耐药机制影响的候选治疗药物）处理时发生的亚细胞变化进行了整体成像。肽类药物处理抑制了致病性菌丝表型的形成，并导致细胞和细胞器形态发生显著变化，尤其是在细胞核和核仁，以及脂质体的数量、大小和位置方面。值得注意的是，肽类药物处理会导致脂质体被运送至细胞核^[3]。

肽类药物处理后细胞核的变化，蓝色：细胞核；橙色：核仁；绿色：脂质体

4. 细胞发育过程中DNA，RNA以及蛋白质的分布变化

DNA，RNA和蛋白质的核分布在细胞类型和发育阶段之间有所不同，这表明核组织具有调节功能。研究细胞核结构及其如何促进分化和决定细胞命运非常具有挑战性。这项工作中，借助软X射线显微镜对神经细胞进行整体成像，对染色质组织，分布和生物物理特性进行了深入研究。结果表明，具有相似生物物理特性的染色质在整个核中形成了精密的连接网络。尽管这种相互连接性存在于整个发育阶段，但其分布会随着染色质的增加而重拍。 HP1β可以通过控制染色质的压实及其与核包膜的相互作用调节染色质重排^[5]。

5. 病毒入侵宿主细胞

RNA病毒可以重塑宿主细胞膜，从而不断地进行复制与传播。病毒侵染后会宿主细胞内会产生超微结构改变导致病毒膜细胞器的形成，这种现象科学家可以通过不同的纳米分辨率的成像技术观察到。共聚焦显微镜显示在紧凑的核结构中的双链RNA（dsRNA）和核蛋白（N）蛋白的积累，在感染后期阶段优先发现了围绕中心体周围的蛋白。透射电子显微镜（TEM）显示在感染细胞核附近的膜结构的积累，形成了含有特征性双膜囊泡和较大囊状结构中病毒样颗粒的病毒复制细胞器。软X射线显微镜揭示了与TEM观察到的病毒复制细胞器非常相似，但表明在TEM切片中观察到的囊泡细胞器确实是一个囊泡管网络，在感染的后期被扩大并伸长。总之，软X射线显微镜可以为SARS-COV-2复制细胞器的分子体系结构提供了更加全面整体的信息^[6]。

三、软X射线显微镜 vs. 其他光学技术：优势与局限

结语

软X射线显微镜如同一把“纳米手术刀”，以无损的方式揭开生命活动的深层奥秘。它不仅是细胞生物学家的“第三只眼”，更是连接微观结构与宏观功能的桥梁。随着技术的不断突破，这一工具有望从前沿实验室走向更广泛的应用场景，为生命科学、医学甚至材料科学带来前所未有的洞察力。未来，当我们回望这场成像技术的革命时，软X射线显微镜必将占据重要的位置。

2024年11月， Quantum Design 中国正式成为爱尔兰SiriusXT Ltd公司在中国地区的独家经销商，负责SiriusXT公司实验室型软X射线细胞结构显微镜——SXT-100在中国市场的推广宣传、销售、技术支持及售后服务。我们希望此次的合作，将助力我国生命科学研究迈向新高度。

关于 SiriusXT Ltd

SiriusXT Ltd是成立于爱尔兰的高端设备制造厂商，主要致力于高端软X射线显微镜的研发及生产，其产品SXT-100一经推出，就受到了市场的极大关注，凭借其特有的优势，获得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 项目235万欧元资助，支持其从细胞结构成像角度助力抗病毒药物的研发。

关于Quantum Design 中国：

Quantum Design中国是美国Quantum Design公司在全世界设立的诸多子公司之一。美国Quantum Design公司是先进科学仪器制造商，其研发生产的一系列磁学测量系统及综合物性测量系统已成为先进的测量平台。Quantum Design中国在全权负责美国Quantum Design公司本部产品在中国的销售及售后技术支持的同时，还积极致力于和世界范围内物理、化学、生物领域先进科学仪器制造商进行密切合作，帮助中国市场引进更多全球范围内的优秀设备和技术，助力中国科学家的项目研究和发展。

 [参考文献]

1.Weilun Chao et al. Soft X-ray microscopy at a spatial resolution better than 15 nm. Nature, 2005

2.Axel Ekman et al. Extending Imaging Volume in Soft X-Ray Tomography. Advanced Photonics Research, 2023

3. Kate L. White et al. Visualizing subcellular rearrangements in intact β cells using soft x-ray tomography. SCIENCE ADVANCES, 2020

4. Maho Uchida et al. Soft X-ray tomography of phenotypic switching and the cellular response to antifungal peptoids in Candida albicans. PNAS, 2009

5.Mark A. Le Gros et al. Soft X-Ray Tomography Reveals Gradual Chromatin Compaction and Reorganization during Neurogenesis In Vivo. Cell Reports, 2016

6. Victoria Castro et al. Three-Dimensional Remodeling of SARS-CoV2-Infected Cells Revealed by Cryogenic Soft X-ray Tomography. ACS Nano，2023