科学家开辟了低温显微镜的新视野

EPFL科学家开发了一种新的研究仪器，用于观察生物组织样本，该样本使用大约四十年前诺贝尔奖获得者、洛桑大学名誉教授JacquesDubochet发现的方法制备。他们的仪器——世界上唯一的同类仪器——开辟了有前途的新研究途径。

AndersMeibom教授和他的研究小组花了将近10年的时间和几个原型才最终制造出来。现在，他们通过构建CryoNanoSIMS机器成功地改进了一种称为纳米级二次离子质谱法(NanoSIMS)的分析方法，这是一种可以分析玻璃化组织样本的化学和同位素组成的仪器。

他们使用的样品制备过程是由著名的沃州生物物理学家JacquesDubochet在1980年代开发的，他因这一突破获得了2017年诺贝尔化学奖。该过程构成了现代低温电子显微镜的基础，可将生物样本的所有成分保存在最原始的死后状态。该研究小组的CryoNanoSIMS机器和潜在优势在BMCBiology上发表的一篇文章中有所描述。

“我们现在能够精确地生成图像，显示细胞或组织样本中特定营养素的储存或使用位置，或者给定药物进入或不进入的位置。没有其他方法可以获得这些信息，”梅博姆说，他是EPFL建筑、土木和环境工程学院生物地球化学实验室的负责人，也是洛桑大学(UNIL)的教授。

新的研究视野

借助CryoNanoSIMS机器，科学家们可以采集低温制备的生物组织样本——其中没有任何分子丢失甚至移位——并直接观察治疗细菌感染和癌症所必需的化合物的确切亚细胞分布。科学家还可以使用该机器可视化植物组织中微量元素的分布，这对于改善植物生长和作物产量以及追踪土壤和生物膜中的环境污染物至关重要。而这一切都可以在亚细胞空间分辨率下完成。“我们的CryoNanoSIMS仪器创造了全新的研究机会，”Meibom说。

“在我的实验室，我们正在围绕这种独特的能力全面展开一项深入的研究计划。”Meibom的CryoNanoSIMS实验室位于UNIL，是高级表面分析中心的一部分，高级表面分析中心是UNIL和EPFL的实验室联盟，使用最先进的设备对广泛的范围进行元素和同位素表面分析从地质学到生物学的研究课题。在评论新仪器时，Dubochet将其称为“生物化学领域的重要扩展”。

瑞士精密

NanoSIMS技术在大约20年前推出时就已经彻底改变了成像领域。它需要将离子束引导到样品上并生成分辨率为100nm的图像。但是相关的样品制备方法都会导致一定程度的组织形态变形和可溶性化合物的损失。为了克服这些障碍，Meibom和他的团队开发了一种用于制备样品的低温工艺，并向NanoSIMS机器添加了新的物理组件，包括液氮罐，以便它可以容纳低温样品。

“将在室温下运行的仪器变成可以分析冷冻组织样本同时保持样本低温和稳定数小时和数小时的仪器非常困难。但我们成功了，现在可以获得全新的信息，”梅博姆说。“如果没有EPFL车间和与我们合作的瑞士公司的机械工程技能，这一切都不可能实现，以达到特定零件所需的精度。”

从九头蛇到珊瑚

该研究的作者在GreenHydra样本上测试了他们的CryoNanoSIMS方法，GreenHydra是一种生活在包括瑞士在内的淡水池塘和湖泊中的小动物。借助CryoNanoSIMS，他们可以直接观察这种动物如何摄取和吸收铵，铵是许多水生生物的关键营养素。

下一步将将该方法应用于珊瑚——Meibom实验室的另一个专业领域——这样科学家们就可以研究藻类和珊瑚之间的共生机制，并确定导致珊瑚白化和死亡的因素。