拉曼、質譜、AFM三種成像技術結合用於生物成像

2020-11-25 儀器信息網

　　最近這些年，將振動光譜、質譜和原子力顯微鏡（AFM）成像技術方面的研究逐漸興起,並且發展迅速。這幾種技術在成像應用方面的確非常有潛力，尤其是在生物醫藥領域。來自德國耶拿大學的Thomas Bocklitz博士就致力於將這三項成像技術結合以更好的發揮他們的作用。 Bocklitz精通數學物理學、生物物理學和化學信息學，以下是對Bocklitz的採訪節選。

在最近的一項研究中，您將拉曼顯微成像和基質輔助雷射解析電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)成像相結合(1)，用在分析鼠腦等生物組織。您為何要將這兩種技術用在一起呢?

　　Bocklitz：我們結合這兩個技術(拉曼顯微成像和MALDI-TOF-MS)主要有兩個目的。其一是兩種技術渠道的結合必然能給生物組織分析帶來更加全面和綜合的視野，我們能從中獲取更多的信息。目的之二是我們想通過MALDI-TOF的使用更加了解生物組織的拉曼光譜信息。

在分別完成MALDI-TOF成像和拉曼成像之後，數據相關性調整是此項研究的初始階段，稱為「登記步驟」。在這個階段是否存在挑戰?

　　Bocklitz: 兩種成像方式的數學校準基於對應記錄的標記，這種標記能很大程度上影響校準質量。我們面臨的挑戰是將一個成像方式的信息值轉換為其他的參考系統。除此之外，兩種成像方式帶來的信息圖像量非常大，更增加了信息值轉換的難度。

接下來，將結合的數據關聯起來也就是最為關鍵的步驟。這個步驟中有哪些複雜性產生?

　　Bocklitz: 在這個步驟中最複雜的並不是技術問題，而是在多種研究中的實際問題。在拉曼光譜、MALDI質譜、生物學中的專家需要共同工作將他們的知識結合在一起。

在您的這項研究之前也有將質譜和振動光譜技術結合使用的先例，但只提供了定性信息數據。您在研究中提出了定量比較方法，您稱之為「量化相關性」。那麼什麼是「量化相關性」，您又是如何應用的?

　　Bocklitz: 我們使用這個詞「量化相關性」，是說可以用我們的方法獲取圖像中某一點的光譜信息，同樣我們也可以用它來定量。例如，可以利用m/z 703這個信息來建立一個拉曼光譜的回歸模型。我還要強調一下，並不是定性相關性不如定量相關性重要，不同的途徑方法應該區分開來。

您認為這個方法帶來的最大好處是什麼?

　　Bocklitz:使用這個方法，拉曼光譜信息和MALDI質譜信息共同提供生物組織的綜合視圖和信息。該方法也許能夠為基本診斷找到新的視角和標記物。

在另外一項研究中(2)，您將原子力顯微鏡(AFM)與成像相結合來區分五種病毒，用在如傳染病的疾病診斷中。在此方法中，您應用「圖像矩法」來分析AFM得到的圖像記錄，從而將圖像的形態學轉化為如高度、體積和面積等量化的信息，接下來再用以統計分析。與其它顯微鏡技術如電鏡和掃描隧道顯微鏡相比，將AFM用於病毒分析有何優勢?

　　Bocklitz: 我也認為電鏡和掃描隧道顯微鏡是研究病毒的標準技術。然而，這兩種技術需要嚴格的樣品準備過程，如樣品真空腔環境、金屬薄膜等。以上兩種樣品準備方式都會極大程度的改變樣品。而AFM並非如此，其可以測定潮溼樣品。對於AFM的優勢，還有一點也值得一提。我們將AFM的相關數據信息與尖端增強拉曼和常規成像分析相結合。

方法中的數據分析存在怎樣的挑戰?

　　Bocklitz:這個方法中最大的挑戰就是數學數據分析，與此相比別的困難都顯得微不足道。一旦這個難題解決了，接下來就是將所有測得的數據和分析步驟整合在一起。

您認為在此方法的基礎上是否可能建立一種自動化病毒鑑定方法?

　　Bocklitz:是的，很有可能。而問題是這種方法能夠適用於多大範圍的病毒類別。我認為病毒家族能將通過AFM的精確測量所預測，但這需要未來研究的證明。

您接下來將研究哪些內容?

　　Bocklitz: 接下來的研究內容將與以上談到的兩個方面相關。有關的投稿已經遞交，希望都能夠被錄用。除此之外，我還在做另外兩個有趣的研究：從非線性多對比顯微成像中獲取生物醫學相關信息;拉曼光譜測量標準化。這兩項研究對於將拉曼光譜和非線性多對比顯微鏡技術帶入到臨床從而成為標準診斷手段具有重要意義。

　參考文獻

　　（1）. T.W. Bocklitz, A.C. Crecelius, C. Matthaus, N. Tarcea, F. Eggeling, M. Schmitt, U.S. Schubert, and J. Popp, Anal. Chem. 85(22), 10829–10834 (2013). doi: 10.1021/ac402175c.

　　（2）. T. Bocklitz, E. Kammer, S. Stockel, D. Cialla-May, K. Weber, R. Zell, V. Deckert, and J. Popp, J. Struct. Biol. 188(1), 30–38 (2014). ISSN 1047-8477. doi: 10.1016/j.jsb.2014.08.008. URL

　　《Spectroscopy》節選編譯

 

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