在生命科学研究领域，细胞结构解析是揭示生命活动本质的核心环节。过去数年，该领域迎来了翻天覆地的变化。单细胞转录组学技术让科研人员能够深入了解细胞状态和细胞身份的本质，成像技术的飞速发展则实现了从大型组织中的细胞组织到原生细胞环境中的分子细节的多尺度可视化。在此背景下，对细胞结构图像数据的需求呈爆发式增长，传统成像技术持续升级，软 X 射线断层扫描（SXT）这一新兴技术也应运而生，为细胞结构研究带来全新范式。

SXT 技术：全细胞三维成像的 “优选方案”

SXT 技术的崛起，得益于高精度 X 射线光学系统的突破性发展。早在 20 世纪初，专为生物样本研究设计的 SXT 工作站突破性建成，凭借特有优势迅速成为全细胞（包括大型哺乳动物细胞）三维成像的优选方案。

图1. 全世界目前已建成的SXT设备

 
SXT 对有机物质的敏感性使其能够满足对任何细胞内细胞器和特征的 3D 信息的需求，而无需化学固定或染色。截至目前，SXT 已广泛应用于细胞表型变化（如细胞器结构改变）、纳米颗粒 - 细胞相互作用研究，尤其在新冠疫情后，成为解析感染过程中细胞重塑机制的关键工具。

SXT 前沿应用：解锁细胞研究的 “新维度”

1. 无膜细胞器成像：破解 “动态调控” 与 “疾病关联” 难题

无膜细胞器（例如核仁、副斑块、核斑点、PML体、P体和应激颗粒等）是细胞内高度动态的功能单元，通过相分离调节转录、剪接和RNA代谢，其相变失调与神经退行性疾病、癌症和感染生物学密切相关。然鹅这类细胞器体积小，结构复杂，在拥挤的全细胞结构中成像难度极大。

SXT凭借对化学成分的高敏感性，为无膜细胞器研究提供了特有解决方案。最近，科研人员利用SXT在体内研究了二肽重复多肽 PR 和 GR（肌萎缩侧索硬化症的主要原因）的缩合毒性。使用机器学习预测蛋白质缩合，几种蛋白质靶点与细胞内缩合物相关并在体外进行测试。其中一种候选药物以可抑制多种病原体的浓度应用于活细菌。对这些细菌进行 SXT 显示，处理过的细菌具有压缩的核仁（通过线性吸收系数LAC测量）和细胞质缩合（如图2所示），从而证实了生物活性肽的相分离在体内起着至关重要的作用。

图2. 软X射线细胞结构显微镜对压缩的核仁和细胞质缩合成像

 
此外，SXT 能够同时捕捉分子缩合状态与细胞整体结构，为研究缩合物、膜及细胞结构（如线粒体膜、脂质膜、神经元突触膜）的相互作用提供了 “一站式” 观测手段，为开发以相分离为靶点的治疗方案奠定了重要基础。

2.     结合大数据分析：构建“精准化”细胞结构模型

基于SXT数据开发细胞结构，不仅能还原细胞器的形态结构，还可同步获取其三维组成。Samuel Isaacson团队利用此类细胞模型来理解寻找特定DNA结合位点所需蛋白质的动力学，以及蛋白质通过细胞质向细胞核扩散所实现的信号传导。在另一项研究中，团队通过整合方法开发了一个胰腺β细胞在葡萄糖刺激胰岛素生成过程中重组的综合数学模型，其中SXT数据用于模拟胰岛素颗粒的运输、对接和胞吐。如前所述，通过将蛋白质组学数据与SXT的LAC信息整合（如图3所示），可以在单分子水平上模拟不同成熟阶段胰岛素颗粒的组成。除了细胞表型的物理表征外，此类模型在模拟与化学和环境因素（包括细胞信号传导和运动）的相互作用方面也极具特色。

图3. 不同成熟阶段胰岛素颗粒SXT成像拟合图

 
3. 微生物运动机制：搭建 “结构 - 功能” 关联的运算模型

为了理解疟原虫和弓形虫等寄生虫的运动能力，SXT提供了刚性和刻板的行动形状模型（图4）。随后，这些表面模型被用于求解肌动蛋白自组织的理论模型，该模型预测平行肌动蛋白丝斑块在细胞内上下循环，从而实现寄生虫的双向和单向滑动。将实验SXT数据（例如细胞的真实结构）与数学模型相结合以探索和理解现象，是获得机制解释或切实可行预测的关键，这些预测能够忠实地重现体内情况。

图4. 寄生虫刚性和刻板的行动模型

 
4.   新细胞类型与结构发现：拓展生命科学研究 “边界”

除了对已知细胞及单细胞生物的深入研究，SXT 还在识别新的细胞类型和结构方面具有特殊优势。特别是在水生生物学中，SXT 已用于描述藻类、浮游生物和共生生物的细胞结构（表5）。在海洋藻类 Braarudosphaera bigelowii 与蓝藻内共生体 UCYN-A 的共生关系中，SXT 技术取得重大突破。研究发现，UCYN - A 的复制与分裂过程与宿主藻类细胞高度同步，而这种 “生命周期同步性” 正是内共生体向细胞器演化的关键标志。相关研究成果以封面文章形式发表于《科学》杂志，文中 SXT 数据清晰显示，每个B. bigelowii细胞内均存在一个 UCYN - A 细胞；通过对数百个B. bigelowii细胞的 SXT 分析，科研人员还揭示了其细胞周期变化的动态规律（如图 5 所示），为内共生演化理论提供了直接的结构证据。

图5. 蓝藻内共生体 UCYN-A的SXT成像图

 
实验室级软X射线细胞结构显微镜SXT-100

随着技术的成熟，SXT 正从同步辐射中心走向实验室。爱尔兰 SiriusXT Ltd 公司率先实现实验室级 SXT 的商业化，推出软X射线细胞结构显微镜SXT-100，该设备在性能上与同步辐射源 SXT 系统持平，可对低温保存的细胞进行三维断层扫描，空间分辨率达 40 nm，设备占地面积仅为 2 米 ×3 米，且完成一次完整断层成像仅需 85 分钟，极大降低了 SXT 技术的应用门槛。

 
实验室级 SXT 的出现，为技术创新与应用拓展提供了更多可能：

• 可与荧光显微镜等技术集成，开发多模态关联成像方案，实现 “结构 - 功能” 的同步观测；
• ​依托 “X 射线每日无限可用” 的优势，可灵活开展样品制备策略优化、图像采集方法创新等研究；
• 能够在高生物安全级别设施中应用，为病毒感染、烈性细菌致病机制等高危领域研究提供有力工具。

 
为推动 SXT 技术在中国的落地与应用，2024 年 11 月，Quantum Design 中国（量子科学仪器贸易（北京）有限公司）正式成为 SiriusXT Ltd 公司在中国地区的独家经销商。作为美国 Quantum Design 公司的中国子公司，Quantum Design 中国自 2004 年成立以来，始终致力于引进全球前沿科学仪器与技术，此次合作将全面负责 SXT - 100 显微镜在中国市场的推广、销售、技术支持及售后服务，为国内科研人员提供 “近距离” 接触前沿成像技术的机会。
 
相关链接：

软X射线细胞结构显微镜——SXT-100 https://www.bio-equip.com/show1equip.asp?equipid=4245601