RudinMWeisslederR药物发现和研发的分子成像技术

近代显微成像技术的研究进展与应用狄伶【摘要】The development of microscope imaging technology was introduced, and the imaging principle and application of fluorescence microscopy, confocal microscopy and super-resolution microscopy were outlined. The technology of stimulated emission depletion (STED) was clarified in the super-resolution microscopy. With the rapid development of computer technology and photo-electricity technology, a new generation of microscopy of living cells is developed, and cells tracking, real-time observation, 3D reconstruction, fluorescence quantification and four-dimensional dynamic analysis can be carried out at molecular and ion levels.%本文简述显微成像技术的发展历史,介绍荧光成像、共聚焦显微成像和超分辨显微成像技术的工作原理及应用.超分辨显微成像技术中主要介绍受激发射损耗技术.随着计算机技术和光电技术的飞速发展,新一代显微成像技术对活细胞微观生命活动实现了分子和离子水平的形态定位、实时动态观察、三维结构重组、荧光定量分析和四维动态分析.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2018(033)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】显微成像技术;共聚焦显微镜;受激发射损耗;超分辨显微成像技术【作者】狄伶【作者单位】上海交通大学分析测试中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TH74引言显微成像技术是一种借助物理方法观察微小物体的技术手段，它的发展与物理学领域对光的认识密不可分。

诺贝尔化学奖2020基因组编辑方法超分子化学诺贝尔化学奖2020年颁给了化学家埃米曼努埃尔·夏尔坦和詹妮弗·杜德纳以及遗传学家琼·阿尔科头尔，以表彰他们在基因组编辑方法与超分子化学领域的突出贡献。

这些研究对人类的基因编辑和治疗疾病有着重要的意义，具有深远的影响。

基因组编辑方法是一种通过改变生物体的基因组来实现特定遗传性特征的方法。

这一方法的发展为科学家提供了一种准确和高效的工具，可以用来修改生物体的DNA序列。

这对于研究基因功能、治疗遗传性疾病以及推动生物技术的发展都具有重要意义。

埃米曼努埃尔·夏尔坦和詹妮弗·杜德纳的贡献在于他们的研究发现了CRISPR-Cas9系统的基本原理和应用。

CRISPR-Cas9是一种细菌天然免疫系统，可以识别并切割DNA序列中的特定区域。

科学家们在细菌免疫系统的基础上进行了改良和利用，开发出了高效、简单和准确的基因组编辑方法。

这种方法不仅在实验室中被广泛应用，还有望成为治疗许多遗传性疾病的一种新型治疗方法。

琼·阿尔科头尔则在超分子化学领域做出了突出的贡献。

超分子化学是研究分子之间非共价相互作用的化学学科。

阿尔科头尔的研究聚焦于DNA分子的设计与合成，通过合理设计和组装DNA分子可以形成具有特定性质和功能的超分子结构。

这种DNA的超分子结构可以被用于构建纳米材料、开发药物传递系统和制备新的生物传感器等领域。

基因组编辑方法和超分子化学的结合在许多方面都有重要应用。

科学家们利用超分子化学设计了一种新型的CRISPR-Cas9系统，使其在DNA序列中特定的作用靶点上实现高效的切割。

这种改良后的系统具有更高的精确度和特异性，使其能够更好地应用于基因组编辑和治疗研究。

此外，基因组编辑方法和超分子化学的结合也为开发精确的基因组修复工具提供了可能。

科学家们可以利用超分子化学的原理设计合成特定的DNA修复模板，实现精确的基因组修复和修饰。

单分子成像技术的发展现状单分子成像技术是一种能够观察分子活动、探究生化机制的高分辨率成像技术。

其作用不仅仅局限于生物科学领域，还涉及到物理学、化学、材料学等多个学科领域。

技术的发展也离不开诸多学科的交叉与融合。

一、引言单分子成像技术最早的出现可以追溯到20世纪80年代，主要通过荧光显微镜（Fluorescence Microscopy）的方法对单个荧光分子进行成像。

由于技术的限制，当时对于荧光信号的检测和信号处理还存在很大的问题。

然而，随着科技的飞速发展，扫描探针显微镜、光学共振散射显微镜、双光子激发荧光显微镜、强制调制近场显微镜等各种单分子成像技术相继问世，单分子成像技术的分辨率不断提高，对生命科学研究的价值也越来越受到重视。

二、扫描探针显微镜扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）指的是一种用于观察界面的显微镜，它是通过用尖锐的金属探针在表面扫描来实现成像的。

该技术在生物化学等领域具有重要应用，可以实现对生物分子、蛋白质等的高分辨率成像。

同时，扫描探针显微镜在其它领域中也有诸如高材料的表面分析等多种应用。

三、光学共振散射显微镜光学共振散射显微镜（Optical Resonance Scattering Microscopy，ORS）是一种非荧光单分子成像技术。

相比于荧光显微镜，ORSM 技术不需要染色，不会造成光破坏，同时在信号的收集和处理上也更加灵敏。

因此，该技术具有对生物活体进行高效成像、建立生物分子与细胞之间的相互作用模型等独特的优势。

四、双光子激发荧光显微镜双光子激发荧光显微镜（Two-Photon Excitation Fluorescence Microscopy，TPE-M）是一种低光破坏，不需分子标记，对深部成像也能取得相较于传统显微镜的优越成像效果的技术。

TPE-M主要利用激光器中特定波长的激光对分子进行双光子激发，使得光子处在高能激发态，产生荧光现象。

活细胞成像技术在药物研发中的应用现代药物研发中，活细胞成像技术日益受到重视。

这种技术能够实时、动态地观察细胞内分子的互作、信号传递和代谢过程，对药物分子与细胞及其胞外微环境之间的相互作用进行直观记录和分析。

因此，在药物研发过程中广泛应用，成为药物研发和临床治疗中的重要手段。

活细胞成像技术通过显微镜将细胞内分子互作和代谢过程直接呈现在显微镜视野中，为观察药物与细胞相互作用提供了一个全新的视角。

比如，在药物筛选的早期阶段，化学家可以通过实时观察细胞中荧光标记的药物与靶分子的相互作用情况，及时剔除无效分子，节约时间和成本。

在药物开发中，临床医生可以通过实时观察药物进入、分布和代谢情况，推断患者响应和副作用机制，为制定个性化治疗方案提供重要参考。

与传统药物筛选方法相比，活细胞成像技术能够直观地显示药物与细胞之间发生的生物学反应，为药物开发提供了更贴近生物学实际情况的研究手段。

通过活细胞成像技术的应用，药物研发人员可以更加准确地研究药物的作用机制、毒性和副作用等问题，为药物的发现、开发和落地提供强有力的技术支撑。

此外，活细胞成像技术还能应用于标记、追踪和定量药物在细胞内的分布和代谢过程，及时了解药物的通透性、分布情况、抗药性、代谢速率和清除过程等。

通过实时观察药物在细胞和组织内的变化，药物研发人员能够更好地了解药物的作用机制和生物学反应，提高药效和降低副作用，从而提高药物的疗效和安全性。

总之，活细胞成像技术是药物研发和临床治疗中不可或缺的技术手段。

通过这种技术的应用，药物研发人员可以更加准确地研究药物的作用机制和生物学反应，为药物的发现、开发和落地提供强有力的技术支撑，促进了药物的研究和发展，有望为广大患者提供更为个性化和精准的治疗方案。

生物谷专访罗宇龄博士：RNAscope(R)开启分子诊断新时代PCR作为传统的分子诊断技术 ,具有灵敏度高、特异性强、诊断窗口期短 ,可进行定性、定量检测等优点。

但它有一个缺点 ,必须打破细胞 ,把目标分子释放到溶液中才能检测。

而很多慢性疾病〔如癌症等〕的诊断 ,其样品中标识分子和细胞是密切相关的 ,因而更多的需要从单细胞、单分子水平进行检测。

RNAscope(R)能够在原位、单分子水平上高灵敏的检测和定量RNA生物标志物 ,是新一代原位杂交技术平台。

ACD除了开发具有自主知识产权的癌症检测试剂 ,还与制药企业和生物公司建立合作关系 ,验证靶向治疗开展中的生物标志物。

ACD的技术突破了伴随诊断中识别和验证的关键性难题。

RNAscope(R)开启分子诊断新时代生物谷：罗博士您好 ,近年来分子诊断的概念日渐风行 ,能否请您简单为大家介绍一下分子诊断技术相对于传统的诊断方法具有哪些先进之处？我们了解到 ,贵公司成功开发出RNA原位细胞分子诊断的核心技术——RNAscope(R) ,请问这项技术最大的优势是什么？罗宇龄：分子诊断主要通过核酸检测实现 ,其检测的灵敏度和特异性相对于传统检测方法高很多 ,同时也能进行定量检测 ,比方PCR；这些技术上的优势在传染性疾病检测方面已经全面显现。

然而传统的分子检测技术如PCR并不太适合癌症诊断。

因为它需要先打破样本中的细胞并提取核酸才能进行检测。

测到的只是样本中核酸标识分子的平均值。

这种方法对传染性疾病的检测是有效的。

因为病原体于人体而言是外来物质 ,只要在样本中检测到了病原体标识分子 ,就可以断定病因。

但对于自身引起的疾病 ,比方癌症、自身免疫疾病等来说 ,标识分子常存在于自身正常细胞中。

仅仅在样本中检测到标识分子就没有意义了 ,必须知道标识分子出现在那一种细胞中。

这样一来 ,不破坏细胞的“原位〞分子检测技术就非常重要了。

这是PCR等传统的分子检测技术无法做到的。

2017-10-04北京时间10月4日17时45分许，2017年诺贝尔化学奖颁给雅克·杜波切特(Jacques Dubochet), 阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson)，表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术，以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。

图片来源：诺贝尔官网。

获奖人简介约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。

他因发明单粒子冷冻电镜（cryo-electron microscopy）而闻名，此外他对细菌和真核生物的核糖体结构和功能研究做出重要贡献。

弗兰克 2006 年入选为美国艺术与科学、美国国家科学院两院院士。

2014 年获得本杰明·富兰克林生命科学奖。

理查德·亨德森（Richard Henderson）苏格兰分子生物学家和生物物理学家，他是电子显微镜领域的开创者之一。

1975 年，他与 Nigel Unwin 通过电子显微镜研究AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF膜蛋白、细菌视紫红质，并由此揭示出膜蛋白具有良好的机构，可以发生α- 螺旋。

近年来，亨德森将注意力集中在单粒子电子显微镜上，即用冷冻电镜确定蛋白质的原子分辨率模型。

雅克·迪波什（Jacques Dubochet）， 1942 年生于瑞士，1973 年博士毕业于日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学，瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。

Dubochet 博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。

革命性的冷冻电镜技术细胞里面的生命活动井然有序，每一个部分都有其特定的结构，承担不同的功能。

生物大分子则是一切生命活动的最终执行者，它们主要是核酸和蛋白。

核酸携带了生命体的遗传信息，而蛋白是生命活动的主要执行者。

SelfRenew专栏｜L-DNA研究再迎突破近期，《Nature Biotechnology》杂志发表了清华大学朱听教授的课题组的最新研究工作。

朱听教授长期致力于镜像生物化学的研究，该工作是他在L-DNA领域的又一个重要进展。

之前，朱教授通过与清华大学的刘磊教授合作，成功地利用化学合成的D型DNA聚合酶初步实现了L型DNA的PCR扩增。

而在本文的工作中，他们成功合成了90 kDa的D型的火球菌（Pfu）DNA 聚合酶，并高保真地实现了镜像基因的扩增和整合。

基于这套基因操作流程，他们成功实现了序列信息的存储和解读。

而且，由于L型DNA的耐天然核酸酶的特性，它在自然条件和压力条件下显示出比天然DNA更强的稳定性。

朱听教授说，他希望能构建一个与“中心法则”平行的镜像世界。

借助这一整套平行的系统，我们能够在更加无干扰的稳定的环境中深入研究遗传法则的演化，甚至寻找本就存在但尚未被发现的天然的镜像生命。

既然已初步实现的DNA扩增，下一步，自然是向下游的转录和翻译环节进行探索。

笔者点评L型DNA是与天然D型DNA呈镜像对称的一类分子，在保留原有的理化性质的同时能够避免天然的核酸酶的破坏。

这一特性让这类分子有了及其广阔的应用前景，包括新型材料、新型存储介质甚至新型生命等。

而在医药工业，也早有相关的应用。

例如NOXXON公司，利用“镜像筛选”技术开发L型的DNA和RNA 适配子，他们称之为“Spiegelmers”。

除了直接作为发挥功能的药物分子之外，L型DNA还具有作为多功能药物分子的生物相容性骨架的潜力。

例如安升医药，他们的NAPPA（Nucleic Acid mediated Protein–Protein Assembly）技术平台利用L-DNA单链互补配对的特性，进行多种蛋白的组装，形成多特异性的大分子复合物（如多特异性抗体）。

天眼查的信息显示，兆维科技的子公司兆维生物投资了安升，并占有1/3的股权。

结构生物学研究的技术发展随着科技的不断进步和发展，结构生物学在社会进步和人类健康领域扮演了越来越重要的角色。

结构生物学是一门研究生物分子三维结构的学科，它通过对蛋白质、核酸和小分子等生物分子结构的研究，揭示了生命的机理和基础，并为药物设计和疾病诊断治疗提供了重要的基础和支持。

本文将讲述结构生物学研究的技术发展，以及这些技术在相关领域中所扮演的角色。

一、X射线晶体学X射线晶体学是一种研究生物分子结构的技术，它是由Max Perutz和John Kendrew等人在20世纪40年代发明的。

其原理是利用X射线穿过结晶样品，根据散射束的特性，确定其原子排列和相对空间结构。

这项技术被广泛地应用于研究蛋白质的三维结构，并奠定了结构生物学这一学科的基础。

例如，解析出蛋白质结构后，人们就可以在分子层面上理解蛋白质如何与其他分子相互作用，从而设计出更为合适的药物。

同时，这也在基因工程和生物技术等领域中发挥了重要的作用。

二、核磁共振核磁共振（NMR）是另一种研究生物分子结构的技术，它利用分子中的核磁共振信号来确定分子中原子的相对位置。

NMR技术主要应用于研究生物分子小结构如蛋白和核酸，以及药物发现和化学反应等领域。

与X射线晶体学类似，NMR技术也能够帮助科学家们更好地理解生物分子的结构和功能，并为药物研究和治疗提供重要支持。

三、电子显微镜电子显微镜也是一项较新的技术，已经成为了研究细胞和病毒的重要工具之一。

相比传统的光学显微镜，电子显微镜分辨率更高，可以观察到更细小的结构。

通过电子显微镜技术，科学家已经能够实现对生物大分子的高分辨率成像，如蛋白质超分子组装和生物膜中膜蛋白结构等。

此外，电子显微镜技术也被广泛应用于病毒学和神经科学等领域。

四、计算生物学计算生物学是一种利用计算机和数学方法研究生物大分子结构和功能的技术。

通过计算模拟和分析数据，科学家们能够更准确地预测生物分子的结构和功能，并利用这些信息，在药物发现和分子设计等领域中发挥重要作用。

分子影像学在生物医学领域中的应用随着生物学、医学技术的不断发展，分子影像学作为一种新的生物医学技术逐渐崭露头角。

分子影像学，顾名思义，是将分子层面的信息转化为图像，以了解分子在活体内的行为和变化。

它的应用范围非常广泛，包括了生物医学研究、药物研发、临床诊断、疾病监测等多个方面。

本篇文章将会详细阐述分子影像学在生物医学领域中的应用。

一、分子影像学技术1.放射性示踪剂技术放射性示踪剂技术是分子影像学的重要组成部分，是指将放射性同位素标记在某一特定的分子上，通过放射性同位素的放射性衰变为其所在的器官组织累积一定量的同位素，然后通过扫描设备获取该器官组织的图像，从而了解该特定分子在体内的分布和代谢情况。

2.光学影像技术光学影像技术是指通过特定的荧光染料或荧光靶向剂，将生物分子或细胞表面标记成荧光发射状态，然后通过光学显微镜或其他光学设备来获得分子定位与数量分布等信息。

3.磁共振成像技术磁共振成像技术是一种非侵入性的成像技术，通过高强度的磁场和射频脉冲产生磁共振信号，从而生成高分辨率图像，它具有较好的空间分辨率和对软组织的分辨率较高的优点。

磁共振技术对于神经系统、心血管和肿瘤的影像检测十分重要。

二、分子影像学在药物研发中的应用1.药物代谢研究药物代谢是药物治疗效果的重要因素，它对药物的疗效和安全性都有着重要的影响。

分子影像学技术可以实时监测药物代谢过程，研究药物在生物体内的分布和代谢途径。

例如，在药物研发中，可以通过放射性示踪剂技术来监控药物代谢途径和药物在生物体内的行为，从而得到药物的代谢动力学参数和药物在体内的生物学命运。

这对于后续药物的研究和开发具有重要的意义。

2.药物疗效评估药物治疗效果是临床医学的核心问题，分子影像学技术通过观察生物体内分子层面的变化，可以直接评估药物对于目标分子直接影响的程度及其所产生的生物学效应。

例如，可以通过离体标记药物及其靶标分子，从而探测药物对其所在器官组织的疗效。

三、分子影像学在临床医学中的应用1.癌症诊断癌症是当今世界上一种严重的绝症，早期发现和定位癌细胞是癌症治疗的关键。