在同步加速器光源下用x射线荧光和x射线吸收光谱绘制脑组织中的金属半岛综合体育官方APP下载德甲

阿什利·l·霍林斯^a、b马克·j·哈克特^a、b

^一个科廷健康创新研究所，科廷大学，珀斯，澳大利亚西澳6102

^b科廷大学分子与生命科学学院，澳大利亚珀斯，WA 6845

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2022.a11
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海马体(图1A)是大脑中对空间学习和记忆至关重要的区域。海马体的结构包含高度组织的神经元结构和神经元-神经元连接，神经科学家已经对其进行了数十年的深入研究。事实上，海马体经常被称为神经科学的“罗塞塔石碑”，许多人相信，阐明海马体电路和细胞功能将解开大脑的内部工作原理。

海马体的一个令人着迷的事实是，它似乎相对富集过渡金属离子，特别是Fe、Cu和Zn(图1B)。锌富集是由开发组织化学方法来检测脑组织中不稳定金属的科学家发现的(例如，Danscher和其他人的作品)，^1，2弗雷德里克森领导的研究明确证明，在海马体中观察到的不稳定金属离子的特征池是锌。^{2 - 4}有趣的是，旨在耗尽海马体中不稳定锌池的实验随后揭示了小鼠的行为和认知缺陷，²这与在老年神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)期间观察到的记忆丧失方面一致。⁵因此，出现了大量的研究调查，旨在揭示过渡金属离子可能与健康记忆功能和记忆丧失有关的生理和化学途径。

图1。(A)海马体苏木素和伊红组织学显示了脑细胞的特征性组织(紫色点)。(B) XRF元素图突出了海马体的两个关键子区域，富铁神经元层氨体1 (CA1)和富锌苔藓纤维区(MF)，其中包含大量神经元-神经元连接(突触)。所示为组织的内侧向。比例尺bar = 500µm。数据是在澳大利亚同步加速器的x射线荧光显微束线上收集的，并经文献12的许可进行了改编。

虽然经典的Timm组织化学染色对研究海马体(和一般大脑)中不稳定的锌是非常宝贵的，但现在已经使用直接光谱映射在这一领域取得了一些重要进展。具体而言，在同步加速器设施中提供强(亮)和可调x射线源已经彻底改变了x射线技术的生物学应用，特别是x射线荧光光谱(XRF)和x射线吸收光谱(XAS)。半岛综合体育官方APP下载德甲XRF的主要优势是它能够以细胞分辨率(有时是亚细胞分辨率)同时直接检测(映射)元素分布，原位．直接原位在研究脑组织时，XRF的检测能力至关重要，因为化学固定和/或染色试剂的添加(在其他显微镜中很常见)现在已经知道会极大地改变脑组织中的金属离子含量和分布(图2)。^{6 - 8}

图2。(A)非固定闪冻海马组织和(B)福尔马林固定蔗糖冷冻保护组织中Zn分布的XRF元素图谱。由于福尔马林固定和蔗糖低温保护，锌的大量重新分布被观察到。具体来说，锌从苔藓纤维(MF，神经元-神经元连接)中丢失，并重新分布到脑侧脑室(LV)附近的白质组织(WM)。比例尺bar = 100µm。图片经参考文献7的许可改编。

使用XRF研究脑组织的几个重要早期例子包括明确证明Timm组织化学染色显示存在不稳定的海马锌池⁴以及过渡金属离子与淀粉样β斑块(阿尔茨海默病的标志)共同定位的观察。⁹最近的研究强调，在阿尔茨海默病模型中，海马体内的淀粉样蛋白β斑块似乎富含金属离子(如锌)，但斑块周围的脑组织变得缺乏金属。¹⁰这就提出了一个有趣的研究问题，是斑块中的金属积聚导致了疾病病理，还是金属缺乏是一个促成因素，或两者兼而有之?

除了绘制与疾病状态相关的金属离子之外，同步加速器XRF还被用于表征健康海马中的金属离子分布，识别局部富集铁、铜或锌的海马亚区域(图1)。^11、12有趣的是，XRF揭示了健康的啮齿动物海马区海马神经元(“CA1”区)中含有特别高的铁含量，已知对神经退行性疾病(例如，神经退行性疾病，中风，脑外伤)表现出高度脆弱性。更有趣的是，CA1区中最靠近大脑中部(内侧)的神经元比靠近大脑外侧(外侧)的神经元含有更多的铁。¹¹铁含量从外侧到内侧增加的趋势与在这个高度脆弱的大脑区域内看到的神经退行性变模式相匹配(即，内侧CA1神经元比外侧CA1神经元更脆弱)。毫不奇怪，许多中风研究小组正在积极使用同步加速器XRF来研究铁与中风后神经退行性变之间的关系。¹³

基于元素映射，XRF和XAS光束线在同步加速器设施中的应用正在迅速发展原位金属离子形态的研究(氧化态，配位几何，配体类型)。继续前进到3^{理查德·道金斯}和图4^th一代同步加速器设施，结合x射线光学、探测器和电子设备的改进，现在可以收集数百甚至数千个微xas光谱，以绘制生物样品中的金属形态。金属物种形成最常用的研究方法是使用XAS光谱的一个小区域，称为x射线吸收近边结构(XANES)。XANES光谱制图在生物系统中的最初应用包括绘制植物组织中S、Se和As化合物不同氧化态的分布。^14、15这些方法现在已用于测定铁和铜的形态秀丽隐杆线虫，^16、17脑组织中铁的形态形成¹⁸Zn方法的开发正在进行中(图3)。¹⁹

图3。利用XANES光谱作图研究海马体中锌的形态。(A) Zn标准溶液的XANES光谱^{2 +}在不同生物配体存在的情况下，显示了XANES光谱区域对配位环境差异的特征“丰富性”。(B, C)海马铁和锌分布揭示了mf(神经元-神经元连接)和相邻神经元层(锥体细胞)的位置。(D, E)来自MF层(D)和锥体神经元(E)的微xanes光谱突出了光谱差异，表明每个区域存在不同的Zn化学形式。比例尺= 50µm。图经文献19许可转载。

为了使脑组织的xanes绘图发挥其全部潜力，仍需要解决许多分析挑战。这些挑战包括开发合适的光谱库，以充分模拟大脑中发现的不同化学形式的金属离子，以及了解样品制备对金属离子形态的影响。在这一阶段，该团队已经做了大量工作来优化样品制备，以保持脑组织中的元素分布，但对于金属离子的氧化状态和配位环境在样品制备的各个阶段如何在脑组织中发生变化，我们知之甚少。虽然挑战仍然存在，但生物系统，特别是大脑中金属离子的XRF和XANES光谱映射的持续进展是一个令人兴奋的前景。事实上，关于铁、铜和锌在支持健康的海马记忆功能方面的具体作用，以及金属稳态的丧失如何导致记忆丧失和认知能力下降，可能还有很多有待了解的地方。

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