????近日，國家納米科學中心陳春英院士聯(lián)合國家納米科學中心王亞玲研究員以及中國科學院高能物理研究所張凱研究員建立了一種基于機器學習的同步輻射硬X射線納米CT成像數(shù)據分析技術（簡稱DL-HXT）。相關研究成果以“Three-Dimensional Label-Free Observing of the Self-Assembled Nanoparticles inside a Single Cell at Nanoscale Resolution”為題發(fā)表國際知名雜志ACS Nano上（ACS Nano 2024, 18, 30, 19802–19813）。
在該項研究工作中，國家納米科學中心周會鴿、郭悅聰?shù)妊芯咳藛T完成了樣品的制備和數(shù)據采集、分析工作，中國科學院高能物理研究所博士研究生付天宇完成了神經網絡的搭建、算法開發(fā)和數(shù)據處理工作。國家納米科學中心陳春英院士、王亞玲研究員和中國科學院高能物理研究所張凱研究員為本工作的共同通訊作者，負責完成了文章的撰寫和實驗的整體設計工作。
同步輻射硬X射線納米分辨CT成像具有高空間分辨的三維成像能力，可以在亞細胞尺度直接觀察自組裝納米顆粒的三維空間分布行為，對納米藥物研發(fā)及探究其藥理、毒理學性質具有重要意義。然而，同步輻射硬X射線納米分辨CT成像在對細胞內“海量”的自組裝納米顆粒進行CT成像時，仍然面臨挑戰(zhàn)。首先，細胞內小尺度顆粒辨識難度大、圖像分割困難；其次，缺乏批量標準化CT數(shù)據處理流程，影響了“海量”數(shù)據的準確、有效分析。
該研究中建立的DL-HXT技術則成功地克服了這些挑戰(zhàn)，能夠自動化地識別包括細胞核在內的細胞自身結構以及胞內納米顆粒，并能針對不同結構進行自動化、標準化的分割識別和統(tǒng)計分析。科研人員利用DL-HXT技術研究了超小氧化鐵顆粒（USIO NPs）在乏氧細胞內通過酶響應實現(xiàn)自組裝過程引起的變化，獲取了USIO NPs自組裝結構的尺寸、形貌以及與胞內結構的相互作用等形態(tài)學特征，并觀察到了表面有不同配體修飾的USIO NPs在細胞內的分布和聚集行為存在差異。此外，DL-HXT數(shù)據分析技術還為三維、納米分辨、無標記的胞內納米顆粒成像提供了一種批量數(shù)據分析方法。分析結果直觀地反映了細胞內納米顆粒之間的相互作用以及納米顆粒在細胞內空間分布、聚集行為和聚集體形貌特點。這項工作為在亞細胞尺度闡明納米顆粒組裝機制，探究納米顆粒與細胞器之間的互作及不同細胞器之間的互作用提供了一種便捷、可靠的創(chuàng)新分析方法，為后續(xù)自組裝藥物藥理學研究和新型納米藥物研發(fā)提供了新的評價工具。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06095
圖 1DL-HXT成像分析方法流程
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