新型成像仪器将揭示亚细胞规模的结构和化学成分

该图显示了质谱仪和扫描电子显微镜，它们为BeamMap系统提供了基础，该系统可以同时确定生物样品的表面拓扑和化学组成。

一项能够同时研究生物样品表面及其化学成分的新型成像仪器是一项为期三年，耗资120万美元的美国国立卫生研究院(NIH)研究奖的目标。结合对细胞，组织乃至细胞内部单个生物分子表面化学成分和物理结构的分析信息，可以提供一种研究肿瘤生长，疾病进展，细胞功能和其他关键问题的新​​方法。

正在开发的技术称为“启用波束的精确映射和分子分析物分析(BeamMap)”，结合了来自扫描电子显微镜的数据和一种新的脱附电喷雾电离质谱(DESI-MS)模式，可以同时确定表面拓扑和化学组成。BeamMap使用电子束和聚焦的带电液体的纳米喷雾来收集两种类型的信息，这与图像处理软件的帮助相关。这项研究由美国国立卫生研究院的国立普通医学科学研究所(NIGMS)资助。

“要制造出这种突破性的工具，我们需要能够以微米和亚微米级的分辨率提供拓扑和化学信息，以便能够在亚细胞水平上发现分子组成和生物学功能，” Andrei说费多罗夫(Fedorov)教授，佐治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院的Rae S.和Frank H. Neely主席。“这将需要同时取得进步，我们将推动成像工具和质谱仪的极限。”

由于将质谱用于分子传感，BeamMap将能够表征蛋白质，代谢物和脂质化学，而无需先验知道存在哪些化学种类。由于具有将化学信息与在真空中通过聚焦电子束和离子喷雾束获取的拓扑信息相关联的能力，该新仪器有望在基于电喷雾技术的分辨率上提高一个数量级，化学成像分辨率约为250纳米和电子显微镜的拓扑分辨率约为50纳米。BeamMap在基础和临床生物学，医学，分析化学和生物工程学中应该是有用的。

费多罗夫说：“实际上，使用BeamMap可以看到我们当前不可见的过程，因此我们将获得我们只能推测的证据。” “能够看到亚细胞水平的变化，将使我们能够更好地了解生物系统的行为。这将使我们能够为细胞和组织与环境之间的相互作用方式创建假设，从而有可能导致一系列新的治疗应用。”

他说，需要创新研究方法的主要挑战包括创建软电离和高度局部采样以保持生物分子完整，以及有效地将带电分子传递到质谱仪真空环境的能力。

费多罗夫说：“我们将需要微调喷涂在基板上的光束的能量，以提供所需的分辨率。” “我们需要提取活生物分子并将其离子化，而不会破坏其结构。为此，我们将必须使用最柔软的电离。”

该仪器将使用电喷雾技术产生聚焦在直径约100纳米的光束中的带电溶剂分子。当带电的溶剂分子束撞击生物样品的表面时，它将消融样品表面上的分子，并将其移动到SEM成像室的周围真空环境中。分子将通过撞击的纳米电喷雾在精确调整的能量输入下带电并挥发，然后被提取出来以便在质谱仪中立即分析。

同时，可聚焦至10纳米的电子束将扫描并分析电喷雾从中提取分子的表面的结构和特征。来自两个光束的相关数据将提供有关细胞表面化学组成，细胞器和细胞内结构拓扑成像的信息。

使用两个光束的多次通过将允许从样品中去除层，从而可以绘制内部结构。费多罗夫说，制作每张图像将需要几分钟，时间的限制是样品可以移入质谱仪并进行分析的速度。

表征将在电子显微镜真空室中进行，样品放在可以在三个维度上移动的平台上。该平台还将在成像过程中为活体样品提供冷却和水合作用。

该仪器的想法来自与乔治伍德拉夫机械工程学院董事兼佐治亚理工学院生物工程与生物科学研究所执行董事AndrésGarcía的讨论。García研究胰腺细胞是糖尿病研究的一部分，并计划利用新技术中的信息来更好地了解该疾病。

García说：“ BeamMap是一项令人兴奋的技术进步，它将提供无与伦比的具有高空间分辨率的生物和化学信息，以分析复杂的生物过程。” “我们非常期待将其用于了解糖尿病疾病的进展。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院国立普通医学科学研究所(NIGMS)的1R01GM138802-01奖的支持。本材料中表达的任何观点，发现，结论或建议均为作者的观点，不一定反映NIH的观点。