在生命科學研究領域，細胞結構解析是揭示生命活動本質的核心環節。過去數年，該領域迎來了翻天覆地的變化。單細胞轉錄組學技術讓科研人員能夠深入了解細胞狀態和細胞身份的本質，成像技術的飛速發展則實現了從大型組織中的細胞組織到原生細胞環境中的分子細節的多尺度可視化。在此背景下，對細胞結構圖像數據的需求呈爆發式增長，傳統成像技術持續升級，軟 X 射線斷層掃描（SXT）這一新興技術也應運而生，為細胞結構研究帶來全新范式。

SXT 技術：全細胞三維成像的 “優選方案”

SXT 技術的崛起，得益于高精度 X 射線光學系統的突破性發展。早在 20 世紀初，專為生物樣本研究設計的 SXT 工作站突破性建成，憑借優勢迅速成為全細胞（包括大型哺乳動物細胞）三維成像的優選方案。

圖1. 目前已建成的SXT設備

SXT 對有機物質的敏感性使其能夠滿足對任何細胞內細胞器和特征的 3D 信息的需求，而無需化學固定或染色。截至目前，SXT 已廣泛應用于細胞表型變化（如細胞器結構改變）、納米顆粒 - 細胞相互作用研究，尤其在新冠疫情后，成為解析感染過程中細胞重塑機制的關鍵工具。

SXT 前沿應用：解鎖細胞研究的 “新維度”

1. 無膜細胞器成像：破解 “動態調控” 與 “疾病關聯” 難題

無膜細胞器（例如核仁、副斑塊、核斑點、PML體、P體和應激顆粒等）是細胞內高度動態的功能單元，通過相分離調節轉錄、剪接和RNA代謝，其相變失調與神經退行性疾病、癌癥和感染生物學密切相關。然鵝這類細胞器體積小，結構復雜，在擁擠的全細胞結構中成像難度極大。

SXT憑借對化學成分的高敏感性，為無膜細胞器研究提供了解決方案。最近，科研人員利用SXT在體內研究了二肽重復多肽 PR 和 GR（肌萎縮側索硬化癥的主要原因）的縮合毒性。使用機器學習預測蛋白質縮合，幾種蛋白質靶點與細胞內縮合物相關并在體外進行測試。其中一種候選藥物以可抑制多種病原體的濃度應用于活細菌。對這些細菌進行 SXT 顯示，處理過的細菌具有壓縮的核仁（通過線性吸收系數LAC測量）和細胞質縮合（如圖2所示），從而證實了生物活性肽的相分離在體內起著至關重要的作用。

圖2. 軟X射線細胞結構顯微鏡對壓縮的核仁和細胞質縮合成像

此外，SXT 能夠同時捕捉分子縮合狀態與細胞整體結構，為研究縮合物、膜及細胞結構（如線粒體膜、脂質膜、神經元突觸膜）的相互作用提供了 “一站式” 觀測手段，為開發以相分離為靶點的治療方案奠定了重要基礎。

2.     結合大數據分析：構建“精準化”細胞結構模型

基于SXT數據開發細胞結構，不僅能還原細胞器的形態結構，還可同步獲取其三維組成。Samuel Isaacson團隊利用此類細胞模型來理解尋找特定DNA結合位點所需蛋白質的動力學，以及蛋白質通過細胞質向細胞核擴散所實現的信號傳導。在另一項研究中，團隊通過整合方法開發了一個胰腺β細胞在葡萄糖刺激胰島素生成過程中重組的綜合數學模型，其中SXT數據用于模擬胰島素顆粒的運輸、對接和胞吐。如前所述，通過將蛋白質組學數據與SXT的LAC信息整合（如圖3所示），可以在單分子水平上模擬不同成熟階段胰島素顆粒的組成。除了細胞表型的物理表征外，此類模型在模擬與化學和環境因素（包括細胞信號傳導和運動）的相互作用方面也具特色。

圖3. 不同成熟階段胰島素顆粒SXT成像擬合圖

3. 微生物運動機制：搭建 “結構 - 功能” 關聯的運算模型

為了理解瘧原蟲和弓形蟲等寄生蟲的運動能力，SXT提供了剛性和刻板的行動形狀模型（圖4）。隨后，這些表面模型被用于求解肌動蛋白自組織的理論模型，該模型預測平行肌動蛋白絲斑塊在細胞內上下循環，從而實現寄生蟲的雙向和單向滑動。將實驗SXT數據（例如細胞的真實結構）與數學模型相結合以探索和理解現象，是獲得機制解釋或切實可行預測的關鍵，這些預測能夠忠實地重現體內情況。

圖4. 寄生蟲剛性和刻板的行動模型

4.   新細胞類型與結構發現：拓展生命科學研究 “邊界”

除了對已知細胞及單細胞生物的深入研究，SXT 還在識別新的細胞類型和結構方面具有特殊優勢。特別是在水生生物學中，SXT 已用于描述藻類、浮游生物和共生生物的細胞結構（表5）。在海洋藻類 Braarudosphaera bigelowii 與藍藻內共生體 UCYN-A 的共生關系中，SXT 技術取得重大突破。研究發現，UCYN - A 的復制與分裂過程與宿主藻類細胞高度同步，而這種 “生命周期同步性” 正是內共生體向細胞器演化的關鍵標志。相關研究成果以封面文章形式發表于《科學》雜志，文中 SXT 數據清晰顯示，每個B. bigelowii細胞內均存在一個 UCYN - A 細胞；通過對數百個B. bigelowii細胞的 SXT 分析，科研人員還揭示了其細胞周期變化的動態規律（如圖 5 所示），為內共生演化理論提供了直接的結構證據。

圖5. 藍藻內共生體 UCYN-A的SXT成像圖

實驗室級軟X射線細胞結構顯微鏡SXT-100

隨著技術的成熟，SXT 正從同步輻射中心走向實驗室。愛爾蘭 SiriusXT Ltd 公司實現實驗室級 SXT 的商業化，推出軟X射線細胞結構顯微鏡SXT-100，該設備在性能上與同步輻射源 SXT 系統持平，可對低溫保存的細胞進行三維斷層掃描，空間分辨率達 40 nm，設備占地面積僅為 2 米 ×3 米，且完成一次完整斷層成像僅需 85 分鐘，極大降低了 SXT 技術的應用門檻。

實驗室級 SXT 的出現，為技術創新與應用拓展提供了更多可能：

• 可與熒光顯微鏡等技術集成，開發多模態關聯成像方案，實現 “結構 - 功能” 的同步觀測；

• 依托 “X 射線每日無限可用” 的優勢，可靈活開展樣品制備策略優化、圖像采集方法創新等研究；

• 能夠在高生物安全級別設施中應用，為病毒感染、烈性細菌致病機制等高危領域研究提供有力工具。

為推動 SXT 技術在中國的落地與應用，2024 年 11 月，Quantum Design 中國（量子科學儀器貿易（北京）有限公司）正式成為 SiriusXT Ltd 公司在中國地區的經銷商。作為美國 Quantum Design 公司的中國子公司，Quantum Design 中國自 2004 年成立以來，始終致力于引進前沿科學儀器與技術，此次合作將全面負責 SXT - 100 顯微鏡在中國市場的推廣、銷售、技術支持及售后服務，為國內科研人員提供 “近距離” 接觸前沿成像技術的機會。

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