PNAS 亮点：软 X 射线显微成像技术揭秘抗疟机制，实现 40 nm 无损成像新突破
发布日期：2025-05-21
导读
2019年，丹麦哥本哈根大学波尔研究所的Sergey Kapishnikov团队利用软X射线显微成像技术创新性的揭示了抗疟机制，成果发表于知名期刊PNAS上。随后，作为该研究的核心技术延伸，Sergey Kapishnikov 创立了 SiriusXT 公司将软 X 射线成像技术转化为软X射线细胞结构显微镜——SXT-100，彻底打破传统同步辐射设施的应用壁垒，在实验室内即可实现细胞的亚细胞结构成像。
研究背景
疟疾作为全球重大公共卫生威胁，其病原体疟原虫通过分解血红蛋白释放毒性血红素增殖。尽管喹啉类药物（如氯喹）临床应用广泛，但其分子作用机制长期存在争议。
丹麦哥本哈根大学波尔研究所的Sergey Kapishnikov团队利用软X射线显微成像技术，观察了氯喹的溴代类似物在快速冷冻的疟原虫感染红细胞中的作用机制。该成果以Mode of action of quinoline antimalarial drugs in red blood cells infected by Plasmodium falciparum revealed in vivo为题，发表在Proceedings of the National Academy of Sciences （PNAS）上。
研究概述
传统的疟疾研究方法依赖电子显微镜或荧光标记技术对疟原虫进行表征，且制样过程需要化学固定或染色，可能会破坏样本的天然状态。Sergey Kapishnikov团队采用的非破坏性X射线显微成像技术，能在的“水窗”能量范围内实现高达50 nm分辨率的3D成像、对生物样品几乎无损伤，为此项研究提供了关键的技术支持。
研究发现，疟原虫在感染红细胞后会分解血红蛋白，释放出有毒的血红素，并通过将血红素结晶成惰性疟色素来解毒。溴代氯喹可覆盖疟色素晶体表面，阻止其进一步生长，破坏血红素的解毒过程。同时，溴代氯喹在疟原虫的消化泡中积累，这种高浓度的药物能够有效阻止血红素与疟色素晶体表面结合，进一步增强药物的抗疟效果。
软X射线显微成像技术
该研究使用的软X射线成像技术，用于非破坏性地成像快速冷冻的疟原虫感染红细胞。这种技术可以在不使用染色剂的情况下，直接观察细胞的三维结构，包括疟原虫的消化泡和疟色素晶体。
如下图所示，通过软X射线3D成像结合X射线荧光成像，研究者发现溴代氯喹能够特异性地结合到疟色素晶体表面。在感染红细胞内，溴代氯喹覆盖疟色素晶体表面的比例约为7%至15%。这种覆盖足以阻止血红素分子进一步沉积到晶体表面，从而抑制疟色素的结晶化。
研究结论
本研究Sergey Kapishnikov团队通过软X射线成像技术直接观察溴代氯喹在疟原虫感染红细胞中的分布，揭示了奎宁类药物在体内的作用机制。溴代氯喹通过覆盖疟色素晶体表面，阻止血红素沉积，并在消化泡中积累，增强药物的抗疟效果。此外，溴代氯喹还可能与血红素形成复合物，进一步破坏疟原虫的细胞膜。这种研究方法还可以扩展到其他抗疟药物的研究中，为抗疟药物的设计和改进提供了重要的理论基础。
软X射线细胞结构显微镜——SXT-100
SiriusXT公司利用软X光显微镜成像技术，创新性推出的实验室型软X射线细胞结构显微镜——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，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。
软X射线细胞结构显微镜——SXT-100
SXT-100的技术优势：
高分辨率：SXT-100可实现40 nm分辨率，清晰分辨细胞器（如线粒体、脂滴）及纳米颗粒（如60 nm无机-有机杂化纳米颗粒）。
高通量：单个细胞的断层扫描时间仅需30分钟至2小时，显著优于传统聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）的48小时耗时（样本需破坏）。用优化后的样品制备方法（如圆柱形薄壁玻璃毛细管），可以在5到10分钟内获取单个细胞的三维结构图像。
无损成像：基于“水窗”能量（280-530 eV）的软X射线吸收特性，SXT-100可直接对全水合、冷冻样本成像，避免化学固定或染色对结构的干扰。
结合荧光成像： SXT-100集成荧光显微镜功能，通过荧光信号定位目标区域（如纳米颗粒、细胞器），再利用SXT获取三维结构信息。
用于冷冻电镜成像：成像后样本可进一步用于冷冻电镜（cryo-EM）或冷冻电子断层扫描（cryo-ET），形成“光-电-射线”多尺度关联成像（CLEXM）。
SXT-100的应用案例
酵母细胞脂噬过程研究
如下图所示，SXT成像对冷冻酵母细胞（Saccharomyces cerevisiae）进行3D成像，可以非常直观地展示脂滴（黄色）与消化液泡（棕色）的空间分布动态，揭示饥饿诱导的脂噬（lipophagy）机制。
纳米药物递送在细胞内3D成像
如下图所示，在HeLa细胞（HeLa）中，SXT-100成功追踪100 nm荧光聚苯乙烯纳米颗粒（NPs）的溶酶体共定位，可以提供荧光信息与纳米药物递送载体在细胞内的3D共定位信息，为优化药物载体设计提供结构依据。
复杂真核生物成像
如下图所示，SXT-100可以对眼虫（Euglena gracilis）的进行纳米级3D无标记成像，结合荧光标记叶绿素进行三维结构表征，可以清晰呈现鞭毛、类核体及光合膜系统等复杂真核生物内的细胞器结构，为单细胞生物功能研究提供新视角。
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，凭借其特殊的优势，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量子科学仪器贸易（北京）有限公司(暨Quantum Design中国子公司)成立于2004年，是美国Quantum Design公司在全世界设立的诸多子公司之一，在全权负责美国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、生物领域的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质设备和技术，助力中国科学家的项目研究和发展。
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Quantum Design 中国现已全面负责SiriusXT公司产品在中国市场的推广宣传、销售、技术支持及售后服务！若您对实验室型软X射线细胞结构显微镜——SXT-100有任何问题，欢迎通过电话：010-85120280、邮箱：info@qd-china.com或扫描下方二维码联系我们，我们将竭诚为您服务。
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