分子影像是研究病毒的重要手段——访中科院武汉病毒所公共技术服务中心高级工程师高丁博士

　　作为人类疾病的主要病原体之一，病毒结构简单，可作为某些遗传性疾病治疗、肿瘤治疗、基因疫苗等药物研发的基因工程载体;此外，病毒基因简单，对病毒基因进行研究可揭开生物界细胞基因调控和表达的许多未解之谜。可以说，病毒研究对人类社会有着广泛而重要的意义，应用覆盖生物医药、疾控、农业、畜牧业等领域。那么做病毒研究的一般工作流程是怎样的呢?都需要用到哪些高精尖的科学仪器呢?

　　近日，仪器信息网来到中国科学院武汉病毒研究所公共技术服务中心(以下简称“公共技术服务中心”)，就以上问题采访了公共技术服务中心高级工程师高丁博士。

中科院武汉病毒所公共技术服务中心高级工程师 高丁

特色的分子影像技术平台

　　据高丁博士介绍，分子影像是贯穿病毒研究工作的主线。“比如病毒与宿主细胞之间的相互作用，还有病毒本身的形态、结构分析等，在分子生物学基础上，每一步实验最后都要由显微成像技术来进行验证。”

　　目前，公共技术服务中心具备从高分辨率显微成像一直到活体动物成像的技术平台。包括：

　　光学显微成像系统：超高分辨率荧光显微镜、双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜、双光子超分辨点扫描共聚焦显微镜

　　组织切片成像分析系统：多光谱病理切片成像系统、数字切片扫描分析系统

　　活体成像系统：2D/3D小动物活体成像系统

　　电子显微成像系统：300KV冷冻透射电子显微镜、200KV透射电子显微镜、100KV透射电子显微镜、场发射扫描电镜;

　　流式细胞分析系统：分选流式细胞仪、分析流式细胞仪、质谱流式细胞仪;

　　武汉病毒所的分子影像平台是其特色的技术平台。“我们这一套东西已经发展了几十年，在技术积累和传承方面都很成熟和完善，比较有优势。”

从高分辨率显微成像到动物活体影像，横跨微观到宏观的多尺度研究手段

　　近几年来，武汉病毒所仪器平台建设在最早的以电子显微镜技术为特色的科研服务基础上，扩展了荧光显微镜方向和一些生物大分子分析仪器，先后引进了珀金埃尔默(PerkinElmer)公司的Operetta高内涵筛选系统、UltraVIEW VoX双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜、IVIS Spectrum小动物活体三维成像系统、Vectra多光谱组织成像系统等仪器，涵盖从细胞到活体到组织的各研究对象，完成了从微观到宏观各尺度科研手段的覆盖。

Operetta 高内涵筛选系统

　　引进这些仪器是出于何种考虑呢?高丁解释说：“我们在做平台建设时，主要是考虑到从生物学的尺度上来完善仪器的使用链，包括从分子成像一直到活体动物成像，中间跨度从分子、病毒、细菌、细胞器、细胞、组织、器官到小动物这样横跨纳米到厘米级尺度的成像。所以我们一直在补充完善整个平台，就是为了实现整个跨尺度的研究。研究病毒是从它的生物大分子开始，一直研究到它对活体的影响，所以这个仪器链也是必须的。”

　　从尺度上来讲，双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜可以用来研究病毒侵染、细胞内病毒与细胞器之间相互作用关系的实验，观察病毒的动态。高内涵筛选系统可以在稍微宏观一点的基础上看药物对病毒侵染的影响，并且可以在细胞学水平对药物的抗病毒效果进行评价。

Vectra多光谱组织成像系统

　　从前做药物筛选就是做一些生化试验，比如在96孔板上加各种药物、病毒蛋白和宿主蛋白，来分析它们之间的相互作用，是用化学手段或者是分子生物学手段间接测得一些数据，并不能完全反应真实的相互作用关系。这时就需要双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜、高内涵筛选系统在活细胞内或者组织细胞内对几万甚至几十万个细胞做进一步可视化分析，用可视化的数据来进一步验证实验结果。“借助双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜，我们实现了在活细胞水平对病毒侵染细胞过程的实时观测;借助Opereta高内涵筛选系统，我们建立基于细胞表型的抗病毒药物筛选平台，并基于我们完善的抗病毒药物评价体系，我们跟很多药企建立了横向合作关系，产生了良好的社会效益，同时也发挥了我们所的病毒库资源优势。”

　　做完细胞水平的研究后，就可以进入到活体小动物水平的研究了。用小动物活体成像系统观察病毒在小动物体内的繁殖、侵染过程，以及药物与病毒之间的相互作用。

　　“我们做实验就是要从体外做到细胞级，再做到动物级。这三个层级是完全不同的情况，不能互相替代，所以整个仪器链条一定要补充完整才行。”高丁博士如是说。

　　仪器用在工业领域往往是在做重复的工作，而科学研究则有很大差别。生物学研究涉及各种各样的实验，科研院所内不同课题组、不同研究人员的研究方向都不一样，因此要求共享的大型仪器性能要尽可能高，功能要尽可能丰富。

病毒研究要求更高灵敏度、成像速度及安全性

　　那么现有技术是否能完全满足病毒研究的要求呢?高丁博士表示，还需进一步提升荧光显微镜的灵敏度和成像速度。“对于病毒学来说，要做一些病毒侵染、示踪实验，观察病毒在细胞内的一些些动态行为，以及病毒与细胞内细胞器或蛋白的相互作用。因为病毒在细胞内运动速度非常快，这就需要荧光显微镜在很短的曝光时间内捕捉到细小的相互作用关系。病毒非常小，能染上的荧光也比较弱，现有技术的成像速度和灵敏度还是不够，这样就会丢失很多信息。所以需要提升荧光显微镜的灵敏度和成像速度来捕捉病毒的行为。”

　　高丁博士介绍说，中心现在用的UltraVIEW VoX双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜，可以在保持高分辨率的同时实现快速成像。“UltraVIEW VoX的成像速度大概是30帧/秒，分辨率大概是250纳米左右。这个速度比以前已经提高很多了，灵敏度也得到了保证，已经初步能实现我们想拍的一些画面和视频。但是对于病毒学研究来说，对于成像的速度和灵敏度以及分辨率还有更高的要求，对仪器供应商来说还有更大的提升空间。”

UltraVIEW VoX双碟片活细胞荧光共聚焦显微镜

　　高丁博士承担了中科院仪器研制项目。“我们这个所比较特殊，有高等级生物安全实验室，里面摆放不了高精密的大型仪器。所以我们根据这个需求，想设计一套方案来实现P3以下的实验可以在生物安全实验室外面做。因为生物安全实验室对场地和仪器有要求，日常消毒会破坏摆放在里面的高精密仪器。但是实验室进出非常麻烦，而且需要频繁进行过氧化氢腐蚀性消毒，价值几百万的仪器遇到腐蚀的东西很快就坏掉了。所以我们就希望能研究出满足生物安全等级的仪器，把实验带到常规实验室去做。”

　　高丁简历

　　高丁，男，博士，高级工程师，2012年毕业于中科院武汉病毒研究所。现为中国科学院武汉病毒研究所分析测试中心负责人。负责研究所大型仪器平台的管理、维护、开发工作。长期从事病毒蛋白纳米自组装及其应用研究，包括SV40病毒衣壳蛋白包装纳米颗粒机制;多层级复杂杂合病毒纳米结构的构建;基于病毒衣壳蛋白的多尺度微纳米包装颗粒细胞递送系统;包装颗粒的病毒抗体检测应用等。

　　关于中科院武汉病毒所所级公共技术服务中心

　　武汉病毒所公共技术服务中心由50年代电镜室发展而来，经历电镜室、分析测试中心、所级中心三个阶段，是研究所下属独立建制的技术支撑平台。中心实行“科学管理、开放共享、服务科研”的运行机制，由分管所领导担任中心主任，实行主任负责制。中心下设平台管理委员会、公共技术平台管理办公室，以及五个专业技术实验室(中心)，包括分析测试中心、实验动物中心、BSL-3实验室、放射性同位素实验室。

　　中心作为研究所公共技术服务平台，负责统一管理研究所公用科研设施和仪器设备，确保这些设施设备在高度共享公用的机制下运行，同时参与制定研究所公用科研设施和仪器设备的发展规划、购置方案，面向所内外开展各类实验技术培训。

　　中心共有工作人员25人，其中正高2人，副高4人;拥有博士学位3人，硕士学位9人。中心现有共享仪器设备228台套，设备总价值达12941万元，共享设备年有效总机时数117244小时，其中由中心集中管理的仪器设备共36台/套(5254万元)，年有效机时数达53290小时;委托学科组管理的仪器设备共192台/套(7687万元)，年有效总机时：63954小时，总平均共享率79%。

　　其中分析测试中心包含电子显微平台、荧光显微平台和生物大分子分析平台等。主要仪器有：300KV冷冻透射电子显微镜、200KV透射电子显微镜、100KV透射电子显微镜、场发射扫描电镜、超高分辨率荧光显微镜、双碟片共聚焦显微镜、双光子荧光显微镜、病理切片全景扫描系统、光谱型病理切片成像仪、小动物活体成像仪、质谱流式细胞仪、分选流式细胞仪、分析流式细胞仪、生物大分子相互作用分析仪，分析型超速离心机、冷冻超速离心机等。