蘇州醫工所實現納米粒子的三維追蹤

　　在生命科學、藥物研發等領域，納米粒子定位及追蹤技術具有廣泛需求。外泌囊泡、病毒和納米藥物載體是生物體內常見的納米粒子，它們的動態轉運是實現胞間通訊、侵襲感染、藥物遞送等功能的重要過程。因此，實時捕捉這些粒子的胞內外運動在探尋生命活動基本規律及藥物轉化研究中具有重要意義，這對于闡明疾病發病、病毒動態侵染宿主細胞機制等關鍵科學問題，以及推動納米藥物研發轉化至關重要。

　　近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所張運海課題組在粒子三維追蹤領域上取得進展，通過相位調控將粒子難以提取的軸向信息編碼為易于提取的點擴散函數的角度或形狀信息，實現了納米粒子的三維追蹤。其設計了兩種新型點擴散函數，2π-雙螺旋點擴散函數和拼接指數函數點擴散函數，并采用這兩種點擴散函數實現對生物粒子三維追蹤。

　　2π-雙螺旋點擴散函數可旋轉360度，相對于以往旋轉180度的雙螺旋點擴散函數，粒子軸向探測深度擴展了1倍，實現10μm軸向范圍內粒子三維追蹤（100倍油浸物鏡）。該研究將兩個離焦的2π-雙螺旋點擴散函數結合，雙螺旋點擴散函數可旋轉720度，實現了在20μm軸向范圍內三維粒子追蹤（圖1），相關成果以Particles 3D tracking with large axial depth by using the 2π-DH-PSF為題發表在Optics Letters上。

　　拼接指數函數點擴散函數（SE-PSF）為一種能通過調控設計參數控制空間尺寸與軸向可探測范圍的點擴散函數。該研究以指數函數相位與離焦相位為基本單元，采用拼接、對稱、優化等操作（圖2）生成的優化相位，能在20μm軸向范圍內三維追蹤粒子（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驗中相比于其他點擴散函數能有效減少點擴散函數之間的重疊，有利于后續的圖像處理操作（圖3）。相關成果以Splicing exponential point spread function design for localization of nanoparticles為題發表在Optics Express上。

　　粒子三維追蹤技術可以用于研究病毒顆粒侵染宿主細胞的動態輸運過程，對病毒在胞外生物凝膠（如黏液）中的運動軌跡進行追跡，對病毒顆粒進入活細胞的過程進行三維高精度實時追蹤，計算平均運動速度、擴散系數等反映粒子運動模式的參數，同時可分析病毒顆粒與細胞器共定位情況。此外，還可應用于神經囊泡（50-500nm）、乳糜微粒（75-600nm）、染色體（30-750nm）的追蹤和定位，為神經遞質的信號傳導、胃腸道營養物質的消化吸收、遺傳物質的復制的動態過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

圖1 兩個離焦2π-雙螺旋點擴散函數結合實現大景深粒子追蹤

圖2 拼接指數函數相位的生成過程

圖3 實驗對比