每种植物、动物和人都是由微小、特化细胞组成的丰富微观世界。这些细胞本身就是一个世界，每个细胞都有肉眼无法看到的独特部分和过程。

能够以纳米分辨率观察这些微观构件的内部运作而不损害其精密的细胞器一直是一个挑战，但来自美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室不同学科的科学家已经找到了一种使用多种技术对单个细胞进行成像的有效方法。

能够以纳米分辨率了解细胞内部结构、化学物质和蛋白质在细胞内相互作用的方式以及这些相互作用如何指示某些生物过程，对医学、农业和许多其他重要领域具有重要意义。这项工作还为更好的生物成像技术和优化生物成像的新仪器铺平了道路。

布鲁克海文实验室结构生物学家刘群表示：“研究人体细胞及其内部的细胞器令人兴奋，但我们的结合硬X射线计算机断层扫描和X射线荧光成像的多模式方法有很多机会可以受益。

“我们可以研究致病真菌或有益细菌。我们不仅能够看到这些微生物的结构，还能够看到细胞以不同方式相互作用时发生的化学过程。”

拔出生命的基石之一

在研究人员开始成像之前，他们面临的最大挑战之一就是准备样本本身。研究小组决定使用来自人类胚胎肾(HEK)293系的细胞。众所周知，这些细胞易于生长，但难以进行多次X射线测量。尽管它们非常小，但细胞很容易受到X射线引起的损伤。

科学家们经过了多步的精心处理，使样本更加坚固。他们使用多聚甲醛以化学方式保存细胞结构，然后让机器人快速冷冻样本，方法是将样本放入液态乙烷中，再将其转移到液氮中，最后冷冻干燥以去除水分，但保持细胞结构。

该过程完成后，研究人员将冻干的细胞放在显微镜下定位和标记，以进行有针对性的成像。

由于直径只有12到15微米(人类头发的平均厚度为150微米)，设置样本进行测量并不容易，尤其是在不同的光束线上进行测量时。该团队需要确保细胞结构能够经受住高能X射线的多次测量而不会受到严重损坏，并且细胞可以可靠地固定在一个地方进行多次测量。

为了克服这些障碍，科学家们发明了可用于多种设备的标准化样品架，并采用了光学显微镜来快速找到细胞并对其进行成像，并尽量减少可能损害细胞的长时间X射线照射。

多模态测量

研究团队使用了国家同步加速器光源II(NSLS-II)(位于布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施)的两种成像技术：X射线计算机断层扫描(XCT)和X射线荧光(XRF)显微镜。

研究人员在全场X射线成像(FXI)光束线上收集了XCT数据，该数据使用X射线向科学家介绍细胞的物理结构。断层扫描使用X射线显示固体样本的横截面。一个常见的例子是CT扫描，医生使用它来对身体任何部位的横截面进行成像。

单细胞相关X射线成像的总体工作流程。来源：CommunicationsBiology(2024)。DOI：10.1038/s42003-024-05950-y

研究人员利用亚微米分辨率X射线光谱(SRX)光束线收集了XRF显微镜数据，这些数据为了解细胞内化学元素的分布提供了更多线索。在这项技术中，研究人员将高能X射线对准样本，激发材料并使其发出X射线荧光。

X射线发射有其独特的特征，让科学家确切地知道样本由哪些元素组成，以及它们如何分布以实现其生物功能。

“我们之所以想将XCT和XRF成像结合起来，是因为这两种技术各自提供独特、互补的信息，”FXI首席光束线科学家肖向辉说道。“荧光为我们提供了很多有关细胞内微量元素及其分布方式的有用信息。

“这对生物学家来说是非常重要的信息。不过，获取许多细胞的高分辨率荧光图可能非常耗时。即使只是一张2D图像，也可能需要几个小时。”

这时使用XCT获取细胞的3D图像就大有裨益。这些信息有助于引导荧光测量到感兴趣的特定位置。它为科学家节省了时间，提高了吞吐量，同时还确保样本不需要长时间暴露在X射线下，从而减轻了对脆弱细胞的潜在损害。

SRX的光束线科学家杨洋表示：“这种关联方法提供了有用的互补信息，可以推动多种实际应用。对于药物输送之类的事情，可以识别细胞器的特定子集，然后可以追踪特定元素在治疗过程中重新分布的情况，从而让我们更清楚地了解这些药物在细胞层面上的作用方式。”

虽然这些成像方面的进步为细胞世界提供了更好的视角，但仍有挑战需要解决，并有进一步改进成像的方法。作为NSLS-II实验工具III项目的一部分(该项目旨在构建新的光束线，为用户社区提供新功能)，杨是即将推出的定量细胞断层扫描(QCT)光束线团队的科学负责人，该光束线将专门用于生物成像。

QCT是一种全视野软X射线断层扫描光束线，用于对冷冻细胞进行成像，分辨率为纳米级，无需化学固定。这种低温软X射线断层扫描光束线将与当前方法相辅相成，提供更详细的细胞结构和功能信息。

未来的发现

虽然能够观察构成人体系统的细胞是一件令人着迷的事情，但能够了解攻击和破坏这些系统的病原体可以让科学家在对抗传染病方面占据优势。

“这项技术使我们能够研究病原体与宿主之间的相互作用，”刘解释说。“我们可以在感染前观察病原体和健康细胞，然后在感染期间和感染后对它们进行成像。我们将注意到病原体和宿主的结构变化，从而更好地了解这一过程。

“我们还可以研究人类微生物组中的有益细菌或与植物有共生关系的真菌之间的相互作用。”

刘教授目前正在与其他国家实验室和大学的科学家合作，参与美国能源部的生物和环境研究项目，研究高粱和炭疽菌(Colletotrichumsublineola)之间的分子相互作用。炭疽菌是一种引起炭疽病的致病真菌，会危害植物的叶子。

高粱是美国能源部的主要生物能源作物，也是世界第五大谷物作物，因此，了解这种破坏性真菌的策略以及高粱的防御机制在细胞和分子水平上如何运作，对人类大有裨益。

能够以这种规模观察，科学家可以洞察病原体对农作物、环境甚至人体发起的战争。这些信息可以帮助开发正确的工具来对抗这些入侵者，或修复在根本层面上无法最佳运作的系统。第一步是能够看到人类眼睛无法看到的世界，而同步加速器科学的进步已被证明是揭示它的有力工具。