基于同步辐射X射线成像的细胞染色体端粒的研究

Telomeres are closely related to tumor occurrence and development, but also an important target for cancer prevention and treatment. New opportunities in the investigation of telomeres have arisen with the development of super-resolution imaging technology, particularly techniques based on synchrotron radiation X-ray imaging. This project will focus on building new nano-biological probes suitable for synchrotron radiation X-ray imaging, by coupling streptavidion with variously-sized nanoparticles of TiO2. These specific probes, when used as labels for cancer cell telomeres, improve the contrast in X-ray imaging and allow the structure and spatial distribution of telomeres to be easily determined using high-resolution X-ray imaging. This study establishes synchrotron X-ray imaging as a method for investigating the telomeres of cancer cells. In particular, we aimed to analyze differences in the structure and spatial distribution of telomeres between normal cells and tumor cells, thus visualizing an important component of the tumorigenesis mechanism. Our results improve understanding of cancer cell telomeres, and support the broader applications of X-ray imaging techniques in biological science.

端粒与肿瘤的发生和发展密切相关，同时也是防治癌症的重要靶点。超分辨成像技术的发展为端粒的研究带来了新的机遇，特别是基于同步辐射X射线显微成像技术。本项目以不同粒径纳米二氧化钛为前体，偶联能和生物素特异结合的蛋白链霉亲和素，构建适合同步辐射X射线显微成像的新型纳米生物探针，研究纳米颗粒的制备和性质、偶联技术等对探针的活性和特异性的影响。应用探针特异性标记细胞染色体端粒，提高端粒在X射线照射下的衬度，使用上海光源高分辨率的X射线显微成像技术对肿瘤细胞染色体端粒的结构和空间分布进行成像分析，建立基于同步辐射X射线细胞染色体端粒的成像方法，重点分析正常细胞和肿瘤细胞端粒结构和空间分布差异，为肿瘤的发生机制提供可视化的研究基础。研究成果将推进端粒这一重要生物科学问题的研究进展，同时也为X射线显微成像技术在生物学科学更广泛的应用提供基础研究的支撑。

端粒不仅与肿瘤的发生和发展密切相关，而且正趋于在实践上成为诊断和治疗恶性肿瘤的有力手段。为了实现利用同步辐射X射线成像技术对细胞染色体端粒的精细形态结构与空间分布的高分辨成像，本项目合成了适用于细胞染色体端粒高衬度X射线成像的系列纳米生物探针，包括二氧化钛偶联抗体、链霉亲和素蛋白，聚合多巴胺吸附叠氮（-N3）化合物，实现了多种细胞亚细胞器如细胞膜、细胞核和线粒体的X射线成像；初步建立了Click-X射线成像显微镜方法，获得了细胞DNA和RNA的X射线成像图谱。利用合成的X射线成像的系列纳米生物探针对细胞染色体端粒进行了X-ray成像，得到了细胞染色体端粒成像图。并进一步将端粒成像拓展到超分辨荧光成像，实现了端粒的X射线和超分辨荧光成像。本项目初步建立了细胞染色体端粒同步辐射X-ray成像方法，为推进端粒这一重要生物科学问题的研究进展提供了新的成像技术。