大只500注册链接先进的x线联合技术有助于结核病

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利用先进的x射线组合技术,科学家们已经非常精确地追踪了结核病药物在细胞内的纳米载体。DESY科学家Karolina Stachnik的团队在《科学报告》杂志上发表报告说,这种方法结合了两种精密的x射线扫描测量,可以在非常高的分辨率下定位生物样本中微量的各种金属。为了说明它的通用性,研究人员还使用了这种组合方法来绘制人类骨骼中的钙含量,这一分析可以帮助骨质疏松症的研究。
 
金属在许多生物过程中起着关键作用,大只500注册平台从红细胞中的氧气运输和骨骼矿化,到阿尔茨海默病等疾病中神经细胞中有害的金属积累。”
 
高能x射线使金属发出荧光,这种方法即使对微量也非常敏感。“然而,例如,x射线荧光测量通常不显示细胞的超微结构,”负责这项研究的DESY科学家Alke Meents说。“如果你想准确定位样品中的金属,就必须结合成像技术进行测量。”超微结构包括在光学显微镜下不可见的细胞形态细节。
 
由于细胞等生物样品对x射线辐射非常敏感,因此同时对其结构成像有利于荧光分析。出于这个原因,研究小组将荧光测量与一种被称为“胎记”的成像方法结合起来。Stachnik解释说:“一个ptychographic显微镜与拍摄全景照片非常相似。”“一个像生物细胞一样的扩展样本被用一个小的相干x射线束进行光栅扫描,产生许多重叠的样本部分图像。这些重叠的图像随后被缝合在一起。”
 
应用的方法在样品和检测器之间没有任何透镜,因此所谓的x射线衍射模式记录在检测器上。每个模式都包含有关样本中各自部分的空间结构的信息,这些信息可以从模式中计算出来。Stachnik解释说:“这最终得到了一个完全定量的样品光密度图。”“通过这个复杂的过程,ptychography提供了超出x射线光学通常极限的空间分辨率。”
 
由于其扫描性质,可以结合同时获取x射线荧光测量,提供一个独特的指纹样本组成元素。通过这种方法,可以用元素图覆盖通过ptychography获得的样品形态的照片。“因此,这两种互补的成像方法的同时结合,使得微量元素与高度分辨的标本结构之间的无人为关联成为可能,”Meents总结道。
 
一个基本的前提条件是,x射线只有一种颜色(单色,所有的波长都相同),而且它们像激光一样同步(相干)振荡。Meents说:“足够明亮的单色x射线具有足够高的能量,使得像铁这样的金属发出荧光,只有在像DESY的PETRA III这样的现代同步加速器光源中才能实现。”
 
为了测试这种方法,DESY的研究人员与博斯特尔研究中心的Ulrich Schaible团队合作,研究巨噬细胞(免疫系统的清除细胞)中结核药物纳米载体的定位和浓度。通常,巨噬细胞会杀死病毒和细菌等病原体。不幸的是,结核细菌设法避开了破坏,反而躲在巨噬细胞内,甚至利用它们来生长,”Schaible说。“作为有效治疗的屏障,细菌在巨噬细胞内的壁龛需要抗生素才能有效到达。”
 
一种新的“特洛伊木马”策略是使用纳米大小的铁容器将抗生素直接送入细胞。这些容器是中空的,里面装满了抗生素,直径小于20纳米(1纳米是1毫米的百万分之一)。巨噬细胞吞噬这些容器,一旦它们进入细胞,由于细菌需要铁,铁质壁就会慢慢溶解。最终,抗生素被释放并杀死细菌。

为了评估这种策略的有效性,研究小组调查了喂食铁容器的巨噬细胞。在DESY的x射线源PETRA III的生物成像和衍射束线P11上,使用一种特殊的扫描阶段,研究人员可以用亚细胞分辨率捕获14个细胞的ptychographic和荧光图像,并在其中识别出22个聚集的纳米容器。
 
在第二项研究中,研究人员与汉堡-埃彭多夫大学医学中心的Bjorn Busse团队合作,分析了人类骨骼样本中的钙含量。“钙是使我们骨骼强壮的关键元素,”来自Busse研究小组的共同作者Katharina Jahn解释道。“然而,在高钙需求时期,身体会将其从骨骼中溶解出来,用于其他地方。这些以及其他与年龄相关的过程会导致骨质疏松症,在德国,50岁以上的女性中有近四分之一会受到影响。”
 
骨矿化的实验研究通常在小骨片上进行。“然而,只有钙的总含量通常是这样绘制的,”Stachnik说。“要想真正测量出钙离子的浓度,就必须校正样品经常变化的厚度。”该团队使用同时获得的一张ptychographic图像来去除钙分布图中的质量-厚度失真。Stachnik强调说:“通过这种方法,我们能够观察到骨头中特定位置的局部较低的钙含量,这有助于更好地理解骨骼疾病的过程,并量化病人骨骼矿化变化的影响。”
 
为了进一步改进这种方法,研究人员已经开始将分析扩展到三维测量。Meents说:“实验装置目前正在扩展,以允许在beamline P11获取3d层析数据集。”“随着许多同步加速器被升级,以产生更亮的x射线,我们预计这种方法将增加产量,并成为这些设施的常规应用。”
 
博斯特尔研究中心、瑞士保罗·谢勒研究所、卡尔斯鲁厄理工学院、汉堡-埃彭多夫大学医学中心和德西参与了这项研究。
 
DESY是世界领先的粒子加速器中心之一,研究物质的结构和功能——从微小基本粒子的相互作用,到新型纳米材料和重要生物分子的行为,再到宇宙的奥秘。DESY在汉堡和Zeuthen开发和建造的粒子加速器和探测器是独特的研究工具。它们产生世界上最强烈的x射线辐射,加速粒子以记录能量,大只500注册链接并为宇宙打开新的窗口。DESY是德国最大的科学协会Helmholtz协会的成员,并从德国联邦教育和研究部(BMBF)(90%)以及德国联邦汉堡州和勃兰登堡州(10%)获得资助。