國家X射線斷層攝影中心開發的一項技術打破了完整細胞內部結構成像的障礙

軟X射線斷層掃描可提供完整細胞內的細胞器圖。(來源：Katya Kadyshevskaya / USC)

這個星球由大陸和島嶼組成，每個大陸和島嶼都有獨特的文化和資源。一個地區可能以種植食物而聞名，另一個地區是制造建筑材料，然而盡管它們彼此之間存在差異和距離，但這些地區卻通過全球流程相互聯系。活細胞建立在類似的概念上。例如，電池的一部分產生的燃料可為生命供電，而另一部分則制成簡單的構件，然后將其組裝成電池內部的復雜結構。為了充分理解細胞，我們需要表征組成它們的結構，并確定其內容。

得益于先進的成像技術，科學家們檢查了細胞的許多不同成分，并且一些當前方法甚至可以將這些分子的結構映射到每個原子。然而，了解所有這些部分如何在動態的活細胞中移動，變化和相互作用一直是一個巨大的挑戰。

位于伯克利實驗室高級光源的團隊正在使用其用于全細胞可視化的新方法，利用世界上第一臺 為生物學和生物醫學研究而構建的軟X射線斷層掃描(SXT)顯微鏡，掀起波瀾。在發表于《科學進展》上的最新研究中，研究小組使用其平臺揭示了從大鼠中提取的胰腺細胞中胰島素分泌的前所未有的細節。這項工作是與致力于全細胞建模的研究者聯盟(稱為胰島β細胞聯盟)合作完成的。

“我們的數據表明，SXT是量化對藥物反應的亞細胞重排的有力工具，”美國國家X射線斷層掃描(NCXT)中心主任，分子生物物理學與整合研究中心的伯克利實驗室學院科學家卡洛琳·拉拉貝爾(Carolyn Larabell)說：生物影像科。“這是彌合結構生物學和生理學之間長期差距的重要的第一步。”

Larabell和其他作者指出，SXT非常適合對整個細胞進行成像，而不會因染色或添加標記分子的變化而改變(熒光成像就是這種情況)，并且無需化學固定和切片，這是傳統電子顯微鏡所必需的。而且，SXT具有更快，更輕松的細胞制備過程。

左圖顯示了使用軟X射線斷層掃描獲得的胰島β細胞的3D立體圖，其中突出顯示了胰島素顆粒(黃色)，線粒體(粉紅色)和細胞核(藍色)的分布。框起來的區域指向使用低溫電子斷層掃描獲得的這些區域的結構細節，這是另一項研究的一部分。(圖片來源：Valentina Loconte / UCSF和NCXT;以及Kate White / USC)

在不受傳統技術和時間限制的情況下，該團隊可以在暴露于不同水平的葡萄糖和一種胰島素增強藥物刺激之前，期間和之后，對孤立的胰島素分泌細胞(稱為β細胞)進行可視化。在大鼠和其他哺乳動物中，β細胞通過釋放胰島素來響應不斷升高的血糖水平。這種激素調節全身的葡萄糖代謝。

拉拉貝爾說：“我們發現，刺激β細胞可引起胰島素囊泡數量和分子密度的快速變化-胰島素在生產后儲存在其中的膜'包膜'。” “起初這是令人驚訝的，因為我們希望當細胞外排空時，我們在分泌過程中應該看到較少的囊泡。但我們觀察到的是現有未成熟囊泡的迅速成熟。”

高級光源是能源部科學辦公室的用戶設施。NCXT由美國國立衛生研究院和美國能源部科學辦公室資助。

勞倫斯·伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory) 及其科學家被認為是團隊能夠最好地應對最大的科學挑戰而成立于1931年， 并獲得了14項諾貝爾獎。如今，伯克利實驗室的研究人員開發了可持續的能源和環境解決方案，創建了有用的新材料，推動了計算的前沿，并探索了生命，物質和宇宙的奧秘。來自世界各地的科學家依靠實驗室的設施進行自己的發現科學。伯克利實驗室是一個多程序國家實驗室，由加利福尼亞大學為美國能源部科學辦公室管理。

美國能源部科學辦公室是美國物理學基礎研究的最大支持者，并且致力于解決當今時代最緊迫的挑戰。