陈春英/王亚玲研究员Anal. Chem.封面：基于多功能纳米探针的硬X射线完整单细胞HER2蛋白三维成像及原位分析

生物蛋白质分子的生理功能通常取决于其在细胞内的表达量、空间定位和分布。因此，细胞蛋白的原位分析及成像对于理解生物学过程以及诊断和治疗蛋白质相关疾病具有重要的价值。近些年，随着同步辐射光源、检测成像等物理器件与图像处理技术的共同发展，同步辐射X射线三维成像技术在单细胞成像领域取得很大进步。能够实现细胞原位无损的、纳米分辨率的三维层析成像是同步辐射X射线成像技术的最大优势，并且其样品制备简便、可获取未染色细胞三维结构信息等特点在生物学研究中显示出巨大的潜力。但是，对于较大尺寸的单个肿瘤细胞中蛋白质空间定位的三维无损、纳米分辨率和原位可视化成像仍然具有挑战性。近期国家纳米中心的陈春英（点击查看介绍）/王亚玲研究员（点击查看介绍）团队将同步辐射硬X射线成像技术与纳米探针技术相结合，在较大尺寸单细胞成像及细胞蛋白原位分析领域取得突破性进展。相关研究成果近期以封面文章的形式发表在国际化学权威TOP期刊Analytical Chemistry。

在本项研究中，充分利用硬X射线具有较高穿透能量的特点，并根据北京光源同步辐射装置硬X射线纳米CT的最佳成像能量水平 (8 keV)，设计了一种同时具有硬X射线成像信号、荧光信号及特异性靶向结合人表皮生长因子受体2（HER2）蛋白的多功能氧化铁（Fe@BFK）纳米探针。基于探针中铁元素的K 1s边的合适电子结合能（7112 eV），该探针适用于在北京光源4W1A 线站进行同步辐射硬X射线成像。

图1. 多功能氧化铁纳米探针（Fe@BFK）制备及同步辐射硬X射线成像示意图。

通过荧光抗体共定位和多肽封闭等实验证明了该探针对SK-BR-3细胞HER2蛋白的原位靶向特异性，并借助于荧光信号对细胞蛋白的标记条件进行了优化，并筛选出了更加适合同步辐射X射线成像的样品。

在北京光源4W1A 线站结合具有30 nm高分辨率的同步辐射硬X射线成像技术和具有硬X射线吸收信号的Fe@BFK纳米探针，在单个SK-BR-3细胞-70°到70°的角度范围内总共采集了281幅二维细胞投影图像。通过三维数据重建获得了HER2蛋白在SK-BR-3细胞上的三维空间定位。同步辐射三维重建数据的结果表明HER2蛋白主要定位于细胞膜上，并且以异质模式呈聚集分布。该同步辐射硬X射线成像为厚度大于10微米细胞中蛋白质定位进行原位无损成像提供了一种新的分析方法。随着高分辨光学器件和光源质量的提升和更多纳米探针的开发，该同步辐射硬X射线成像方法有望将应用范围扩大到与生物相关的医学和纳米医学研究领域。

图2.（a）同步辐射硬X射线成像的数据采集工作流程。（b）对照细胞和（c）Fe@BFK纳米探针标记细胞的三维重建图像。

图3. 同步辐射单细胞二维切面图像（颜色条代表线性吸收信号的强度）。

该项工作近期以封面文章的形式发表在Analytical Chemistry 上，山东第一医科大学（山东省医学科学院）的博士后张春雨、中科院高能物理研究所-北京同步辐射光源张凯研究员及北京理工大学崔岩岩副研究员为论文的共同第一作者，陈春英研究员和王亚玲研究员为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multifunctional Nanoprobe for 3D Nanoresolution Imaging of Intact Cell HER2 Protein with Hard X-ray Tomography 

Chunyu Zhang, Kai Zhang, Yanyan Cui, Yuecong Guo, Chuan Wang, Chao Xu, Qingqiang Yao, Yuliang Zhao, Chunying Chen, Yaling Wang

Anal. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c03699

通讯作者简介

陈春英，国家纳米科学中心研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。先后担任国家重点研发计划首席科学家，基金委国家重大科研仪器研制项目负责人。研究领域包括纳米蛋白冠的分析方法及其化学生物学效应，纳米材料生物体内行为的检测方法与机制，纳米佐剂与递送系统研究等。研究成果在Nature Nanotechnology、Nature Methods、Nature Communications、PNAS、JACS、Angew Chem等国际学术期刊发表SCI论文300余篇。中国授权发明专利32项，国际授权PCT发明专利1项。主编中英文专著7部，分别由英国RSC、德国Wiley和科学出版社出版。

更多信息，请访问课题组网站：

http://www.nanoctr.cas.cn/chenchunying/ketizu/ 

陈春英

https://www.x-mol.com/university/faculty/23167 

王亚玲，国家纳米科学中心项目研究员，广州市新发传染病疫苗研发技术创新促进会理事，合肥、北京同步辐射光源机时评审专家，主要研究方向为新型纳米佐剂、纳米探针开发及基于先进光源的纳米生物分析方法研究。近年来，在 Acc. Chem. Res., ACS Cent. Sci., Angew. Chem. Int. Ed. Anal. Chem., ACS Nano, Nature Nanotechnology等期刊上发表60余篇重要论著。申请发明专利18项 (含PCT 2项)，获授权国家发明专利2项。主持大科学装置前沿研究重点专项子课题1项、作为首席科学家承担了科技部政府间科技合作重点专项，国家自然科学基金青年、面上、重点项目子课题各1项，作为项目骨干参加中科院先导B项目、纳米生物效应及分析方法相关十多个项目研究。

https://www.x-mol.com/university/faculty/292940