近年來國際上興起的超高分辨率顯微成像技術，給科學家們提供了最新的成像手段，使得科學家們能夠獲取細菌、病毒的更多細節，為生物醫藥領域的發展提供了更多支持。
本文將分享2014年諾貝爾化學獎STORM超高分辨率顯微成像技術在腦膜炎球菌感染機制研究中所取得的一些進展。歡迎各位老師交流探討。
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研究介紹
腦膜炎球菌是一種革蘭氏陰性細菌，在世界范圍內引起流行性腦膜炎和敗血癥，作者首先通過單分子追蹤實驗研究CD147在腦膜炎球菌感染時的遷移率，然后分別使用熒光標記的STxB和CTxB亞基研究兩種鞘脂GM1和Gb3在腦膜炎球菌感染過程中的作用，通過結構照明顯微鏡（SIM）和直接隨機光學重建顯微鏡（dSTORM）進行超分辨率顯微鏡觀察，顯示腦膜炎球菌周圍有GM1聚集，突出了其對細菌侵襲的重要意義。
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研究結果
1. 單分子追蹤揭示了相互作用時CD147受體遷移率的調節
在健康個體中，腦膜炎球菌可能作為共生生物存在于鼻咽中，而不會影響宿主，在某些情況下，細菌可以進入血液并粘附在血液微血管的內皮細胞上，導致炎癥過程和血液-腦脊液屏障的破壞，嚴重時可引起敗血癥和進行性致命性休克，這是疾病發展為腦膜炎的關鍵。
最近，通過直接隨機光學重建顯微鏡（dSTORM）進行的超分辨率顯微鏡檢查表明，腦膜炎球菌與內皮細胞結合需要CD147/β2-腎上腺素受體聚集在細菌粘附位點，CD147/β2-腎上腺素受體復合物在質膜中的局部富集可能允許細菌在體內粘附到血管壁并抵抗血流動力學，由于細菌粘附位點的受體積累需要在質膜中具有高遷移率，作者使用與光穩定熒光染料SeTau-647結合的N端結合單克隆抗體（MEM-6/1）進行CD147的活細胞單分子追蹤實驗。
圖1. 單克隆抗體對HBMEC上CD147的單分子追蹤
2. 腦膜炎球菌感染時質膜鞘脂的重排
鞘糖脂通常是大量病原體的重要宿主細胞靶點，腦膜炎球菌菌毛依賴于神經節苷脂的結合，有兩種研究良好的具有受體功能的鞘糖脂是單唾液酸四己糖基神經節苷脂GM1和球三糖基神經酰胺Gb3，為了研究腦膜炎球菌粘附時脂質組織的可能變化，作者分別使用霍亂毒素B（CTxB）和志賀毒素B（STxB）亞單位觀察腦內皮細胞質膜中兩種鞘糖脂GM1和Gb3的分布。
實驗結果顯示，感染腦膜炎球菌后，Gb3的質膜分布保持不變，相反，GM1顯示HBMEC質膜上粘附性腦膜炎球菌周圍的熒光強度顯著增加，數據清楚地證明了神經節苷脂GM1在粘附細菌周圍的強烈聚集，而未感染的HBMEC顯示GM1在質膜中的均勻分布。
圖2. 腦膜炎球菌感染期間腦內皮細胞質膜中Gb3的熒光成像（左），感染表達GFP的腦膜炎球菌后HBMEC中GM1的熒光成像（右）
為了排除CTxB和STxB與腦膜炎球菌的非特異性結合，作者將細菌接種在不含HBMEC的玻璃上，通過dSTORM進行標記和成像，相應的圖像顯示，兩種鞘脂不會非特異性結合腦膜炎球菌。
圖3. 表達GFP的腦膜炎球菌（綠色）的GM1和Gb3的dSTORM圖像，沒有用Alexa Fluor 647綴合的CTxB或STxB標記的HBMEC。
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研究總結
綜上所述，鞘糖脂是重要的病原體受體，阻斷GM1可顯著降低感染效率，這意味著質膜神經節苷脂對細菌入侵的重要性。因此，在神經節苷脂存在于與菌毛相互作用的人類上皮細胞中，侵襲效力的提高應更加顯著，作者認為這種機制可能在從鼻咽到血液中的初始攝取中起重要作用，阻斷這種相互作用可能是避免腦膜炎球菌傳播危及生命的一種有希望的方法，并有助于開發細菌清除的治療方法。
本文主要借助STORM技術來標記追蹤分子位置關系。這項2014年諾貝爾化學獎的發現已在國內實現產業化。寧波力顯智能科技有限公司(INVIEW)現已發布的超高分辨率顯微成像系統iSTORM，采用3D隨機光學重構技術、高精度細胞實時鎖定技術、多通道同時成像技術等，以納米級觀測精度、高穩定性、廣泛環境適用、快速成像、簡易操作等優異特性，獲得了超過50家科研小組和100多位科研人員的高度認可。
