Quantum Design-新闻中心-高分辨化学成像显微镜，破局单细胞同位素成像难题，实现重要进展！

高分辨化学成像显微镜，破局单细胞同位素成像难题，实现重要进展！

发布日期：2025-01-15

导读

在传统微生物代谢研究中，同位素标记法是探索细胞/细菌特定代谢进程的常用手段。由于同位素会影像生物大分子的化学震动，科研工作者可以通过红外光谱成像对含有同位素的微生物或细胞进行红外检测。但是传统红外的分辨率有限，致使多数研究只能聚焦于细胞群落层面，难以深入至单个细胞。基于新型光学光热红外 (O-PTIR) 化学成像技术的发展，为该领域带来了重要转机。该技术大幅提升了传统红外化学成像的空间分辨率，能够在亚微米空间尺度下，依据化学特征，对不同物质进行特异性化学成像。借助O-PTIR技术，科研人员不仅能对的同位素标记的微生物进行红外波谱分析，还能对同位素的单个微生物、细胞进行化学成像，为微生物单细胞代谢研究提供更为丰富、详尽的信息。

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，大大地拓展了光学显微镜的应用。该设备基于新型光学光热红外（O-PTIR）技术，能够对物质的分子结构进行化学成像，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单个细胞、微生物内同位素标记物进行成像与波谱分析。同时，该系统还兼具拉曼波谱，可以对同一个样品进行红外/拉曼共定位分析，为微生物代谢组学、微生物药物组学、药学等多个生命科学研究领域提供了新的表征手段。

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。

mIRage部分同位素成像应用

一、mIRage助力单细胞水平同位素成像研究细菌代谢

英国利物浦大学Roy Goodacre教授发表了关于同位素标记的细菌振动光谱研究成果。该研究借助于新一代高分辨化学成像显微镜——mIRage，通过红外光谱和成像分析，揭示了细菌代谢的过程和机理，不仅包含细菌群落，还包含微生物之间的相互作用。该成果创新性的运用新型光学光热红外 (O-PTIR) 化学成像技术，实现了在单细胞水平上准确评估细菌对标记化合物的吞并行为过程，为细菌代谢研究开辟了新的途径。

二、 mIRage高分辨率表征助力细菌耐药性研究

近期，mIRage的高空间分辨率和光谱质量又助力一科研团队通过氘同位素标记在单细胞水平上快速鉴定抗菌素耐药性。在该研究中，作者采用了光学光热红外 (O-PTIR) 化学成像技术的非破坏性表型分析方法，结合氘同位素探测 (DIP) 和多元统计分析作为代谢指纹识别方法，在单细胞和群体水平上检测尿路致病大肠杆菌中的抗生素耐药性。

下图为未处理和甲氧苄啶TMP处理条件下生长的两种大肠杆菌分离株（上图A和D为光学成像）的 O-PTIR成像。未处理（图A）和 TMP 处理（图D）大肠杆菌细胞（分离株 147，TMP 敏感）的光学图像突出显示了单个细胞的位置。在未处理（图B）和TMP处理（图E）条件下生长的这些细菌细胞在蛋白质酰胺 I 带的1,655 cm^-1峰进行红外成像，也显示出与背景的明显对比。然而，在同一视野下，使用 2,163 cm^-1 处的峰值（归因于 C-D 振动），未经处理的TMP敏感大肠杆菌细胞（图C）清晰可见，表明它们具有代谢活性并吸收了氘，而TMP处理的细胞几乎未被检测到，表明它们不具有代谢活性，因此不能吸收氘（图F）。

通过O-PTIR 光谱数据鉴别由于氘掺入细菌细胞导致的明显光谱偏移 (C-D 特征峰)，从而可以在单细胞水平上快速检测和分类敏感和耐药分离株，并发现了甲氧苄啶敏感菌株在暴露于这种抗生素时摄入氘的能力降低。本研究的结果表明mIRage是一种可在单细胞水平上快速检测抗生素抗药性的有效工具。

三、mIRage协助研究单细胞水平的多种同位素的光谱变化

mIRage红外光谱协助科研工作者在单细胞水平上研究碳-氘动力学和同位素光谱偏移。在该研究中，团队采用了多种重稳定同位素 (D、¹³C、¹⁵N 和 ¹⁸O) 组合，使用光学光热红外 (O-PTIR) 化学成像技术在单细胞水平上评估中红外区域所有可能的同位素光谱偏移。

如下图所示，由于重同位素掺入了各种生物分子，通过mIRage可以观察到多种同位素组会导致的多种振动峰的几个光谱偏移。单个大肠杆菌细菌细胞的 O-PTIR 光谱数据在所有含有重水的条件下都显示出两个不同的峰（Csingle bondD 特征峰），包括D₂O（图A）、¹³C + D₂O（图B）、¹⁵N + D₂O（图C）和 ¹³C + ¹⁵N + D₂O（图D）。在同时含有 ¹³C 和 D₂O 的条件下，在 ¹³C + D₂O（图B）以及¹³C + ¹⁵N + D₂O（图D）条件下，对称 CD₃（从 2,213 cm^-1 到 2,198 cm^-1）和对称 CD2（2175 cm^-1 到 2163 cm^-1）中观察到了额外的偏移。

这项研究的结果表明，O-PTIR 可以作为监测单个细菌中多种同位素标记的有效工具。

总结

在上述案例中，mIRage展现了能够对单个微生物内同位素标记物质进行高分辨化学成像的能力。这意味着它不仅可以准确捕获单个细胞、微生物内同位素标记的图像，也可以对单个细胞的同位素药物摄入过程进行表征。尤其值得注意的是，面对同一细胞内多种同位素并存的复杂情况，mIRage也能实现特异性表征，准确地反馈特定物质在细胞内的分布与化学变化。

凭借上述超卓的性能，mIRage在微生物代谢组学、微生物药物代谢、药学等领域具有巨大的应用潜力，能够为科研工作者提供不一样的研究视角和准确的数据。

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