计算中红外光热成像揭示细胞内tau聚集体
作为淀粉样蛋白的一种突出形式，tau 聚集体已成为揭示神经变性潜在机制的主要研究重点。各种类型的 tau 蛋白聚集体，包括 tau 蛋白原纤维和寡聚物，与多种神经退行性疾病有关。然而，tau 蛋白聚集体的形成机制和相关疾病途径仍然知之甚少。研究 tau 聚集需要高分辨率化学成像工具，能够表征其天然环境中的细胞内体积 tau 聚集。为此开发了几种方法，例如 X 射线晶体学、冷冻电子显微镜 (Cryo-EM)、核磁共振光谱、圆二色光谱和基于原子力显微镜的红外光谱成像。这些方法在表征各种类型的淀粉样蛋白(包括 tau 聚集体)方面取得了重大进展。尽管如此，现有的解决方案从根本上受到限制，因为它们无法提供在其天然细胞状态下的细胞内蛋白质聚集体的体积位点特异性光谱分析和三维成像。因此，在其天然细胞环境中恢复细胞内蛋白质聚集体的三维化学信息的挑战仍然是一个重大障碍。现有的解决方案从根本上受到限制，因为它们无法提供天然细胞状态下细胞内蛋白质聚集体的体积位点特异性光谱分析和三维成像。因此，在天然细胞环境中恢复细胞内蛋白质聚集体的三维化学信息仍然是一个重大障碍。现有的解决方案从根本上受到限制，因为它们无法提供天然细胞状态下细胞内蛋白质聚集体的体积位点特异性光谱分析和三维成像。因此，在天然细胞环境中恢复细胞内蛋白质聚集体的三维化学信息仍然是一个重大障碍。
在《光科学与应用》最近发表的一篇文章中、波士顿大学光子学中心的Ji-Xin Cheng博士、麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的Jian Zhu博士(波士顿大学Cheng实验室前成员)、麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的Benjamin Wolozin博士波士顿大学医学院、波士顿大学电气与计算机工程系的田磊博士及其同事展示了一种计算荧光引导的中红外 (mid-IR) 光热显微镜，称为荧光引导键合-选择性强度衍射断层扫描(FBS-IDT)。FBS-IDT 将单光子 2D 荧光成像集成到泵浦探针脉冲 MIP 强度衍射断层扫描中。
具体而言，FBS-IDT 能够从细胞液中的背景蛋白质信号中有效提取有关特定蛋白质聚集体的化学信息。FBS-IDT 的 3D 光谱成像可以实现高速(~0.05 Hz，高达 ~6 Hz)和高分辨率(~350 nm 横向，~1.1 µm 轴向)。利用这种高光谱 3D 化学成像功能，FBS-IDT 证明了 tau 原纤维与脂质积累之间的潜在相关性。值得注意的是，该技术能够提取深度分辨中红外指纹光谱，并在三维空间中可视化细胞内 tau 原纤维的蛋白质二级结构。
科学家们强调了 FBS-IDT 技术的重要性和优势：
“FBS-IDT 克服了与细胞内淀粉样蛋白聚集体及其蛋白质二级结构在流体环境中的 3D 化学成像相关的挑战。这一成就是通过免扫描和模块化设计实现的，该设计利用带有附加光源的低成本明场显微镜。FBS-IDT 系统的成本至少比最先进的电子显微镜方法(例如 Cryo-EM)低 30 倍，而且它产生的运营费用可以忽略不计。这种经济高效的桌面系统适合大多数实验室环境的常规使用。”
“我们的技术对生物样品没有额外的限制，从而为细胞内蛋白质聚集体的体内成像开辟了一条新途径。此外，我们的方法建立在模块化设计的基础上，可以轻松适应不同的成像要求。我们坚信，我们的 FBS-IDT 方法可以为神经退行性疾病研究和各种生物医学应用做出新的贡献。” 科学家们补充道。
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