蘇州醫(yī)工所實(shí)現(xiàn)納米粒子的三維追蹤

2021.10.20

　　在生命科學(xué)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域，納米粒子定位及追蹤技術(shù)具有廣泛需求。外泌囊泡、病毒和納米藥物載體是生物體內(nèi)常見(jiàn)的納米粒子，它們的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)是實(shí)現(xiàn)胞間通訊、侵襲感染、藥物遞送等功能的重要過(guò)程。因此，實(shí)時(shí)捕捉這些粒子的胞內(nèi)外運(yùn)動(dòng)在探尋生命活動(dòng)基本規(guī)律及藥物轉(zhuǎn)化研究中具有重要意義，這對(duì)于闡明疾病發(fā)病、病毒動(dòng)態(tài)侵染宿主細(xì)胞機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以及推動(dòng)納米藥物研發(fā)轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所張運(yùn)海課題組在粒子三維追蹤領(lǐng)域上取得進(jìn)展，通過(guò)相位調(diào)控將粒子難以提取的軸向信息編碼為易于提取的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的角度或形狀信息，實(shí)現(xiàn)了納米粒子的三維追蹤。其設(shè)計(jì)了兩種新型點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，2π-雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和拼接指數(shù)函數(shù)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，并采用這兩種點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物粒子三維追蹤。

　　2π-雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可旋轉(zhuǎn)360度，相對(duì)于以往旋轉(zhuǎn)180度的雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，粒子軸向探測(cè)深度擴(kuò)展了1倍，實(shí)現(xiàn)10μm軸向范圍內(nèi)粒子三維追蹤（100倍油浸物鏡）。該研究將兩個(gè)離焦的2π-雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)結(jié)合，雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可旋轉(zhuǎn)720度，實(shí)現(xiàn)了在20μm軸向范圍內(nèi)三維粒子追蹤（圖1），相關(guān)成果以Particles 3D tracking with large axial depth by using the 2π-DH-PSF為題發(fā)表在Optics Letters上。

　　拼接指數(shù)函數(shù)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（SE-PSF）為一種能通過(guò)調(diào)控設(shè)計(jì)參數(shù)控制空間尺寸與軸向可探測(cè)范圍的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。該研究以指數(shù)函數(shù)相位與離焦相位為基本單元，采用拼接、對(duì)稱、優(yōu)化等操作（圖2）生成的優(yōu)化相位，能在20μm軸向范圍內(nèi)三維追蹤粒子（100倍油浸物鏡）。采用空間尺寸小的SE-PSF，可以在多粒子定位實(shí)驗(yàn)中相比于其他點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)能有效減少點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)之間的重疊，有利于后續(xù)的圖像處理操作（圖3）。相關(guān)成果以Splicing exponential point spread function design for localization of nanoparticles為題發(fā)表在Optics Express上。

　　粒子三維追蹤技術(shù)可以用于研究病毒顆粒侵染宿主細(xì)胞的動(dòng)態(tài)輸運(yùn)過(guò)程，對(duì)病毒在胞外生物凝膠（如黏液）中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追跡，對(duì)病毒顆粒進(jìn)入活細(xì)胞的過(guò)程進(jìn)行三維高精度實(shí)時(shí)追蹤，計(jì)算平均運(yùn)動(dòng)速度、擴(kuò)散系數(shù)等反映粒子運(yùn)動(dòng)模式的參數(shù)，同時(shí)可分析病毒顆粒與細(xì)胞器共定位情況。此外，還可應(yīng)用于神經(jīng)囊泡（50-500nm）、乳糜微粒（75-600nm）、染色體（30-750nm）的追蹤和定位，為神經(jīng)遞質(zhì)的信號(hào)傳導(dǎo)、胃腸道營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、遺傳物質(zhì)的復(fù)制的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供新的研究思路和研究手段。

　　論文鏈接：https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-20-5088

　　? ? ? https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-22-35336&id=460517