????近日，國家納米科學(xué)中心陳春英院士聯(lián)合國家納米科學(xué)中心王亞玲研究員以及中國科學(xué)院高能物理研究所張凱研究員建立了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的同步輻射硬X射線納米CT成像數(shù)據(jù)分析技術(shù)（簡稱DL-HXT）。相關(guān)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(xué)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(jù)采集、分析工作，中國科學(xué)院高能物理研究所博士研究生付天宇完成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建、算法開發(fā)和數(shù)據(jù)處理工作。國家納米科學(xué)中心陳春英院士、王亞玲研究員和中國科學(xué)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(fù)責(zé)完成了文章的撰寫和實驗的整體設(shè)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(xì)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(xué)性質(zhì)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(xì)胞內(nèi)“海量”的自組裝納米顆粒進(jìn)行CT成像時，仍然面臨挑戰(zhàn)。首先，細(xì)胞內(nèi)小尺度顆粒辨識難度大、圖像分割困難；其次，缺乏批量標(biāo)準(zhǔn)化CT數(shù)據(jù)處理流程，影響了“海量”數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效分析。
該研究中建立的DL-HXT技術(shù)則成功地克服了這些挑戰(zhàn)，能夠自動化地識別包括細(xì)胞核在內(nèi)的細(xì)胞自身結(jié)構(gòu)以及胞內(nèi)納米顆粒，并能針對不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動化、標(biāo)準(zhǔn)化的分割識別和統(tǒng)計分析?？蒲腥藛T利用DL-HXT技術(shù)研究了超小氧化鐵顆粒（USIO NPs）在乏氧細(xì)胞內(nèi)通過酶響應(yīng)實現(xiàn)自組裝過程引起的變化，獲取了USIO NPs自組裝結(jié)構(gòu)的尺寸、形貌以及與胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的相互作用等形態(tài)學(xué)特征，并觀察到了表面有不同配體修飾的USIO NPs在細(xì)胞內(nèi)的分布和聚集行為存在差異。此外，DL-HXT數(shù)據(jù)分析技術(shù)還為三維、納米分辨、無標(biāo)記的胞內(nèi)納米顆粒成像提供了一種批量數(shù)據(jù)分析方法。分析結(jié)果直觀地反映了細(xì)胞內(nèi)納米顆粒之間的相互作用以及納米顆粒在細(xì)胞內(nèi)空間分布、聚集行為和聚集體形貌特點。這項工作為在亞細(xì)胞尺度闡明納米顆粒組裝機(jī)制，探究納米顆粒與細(xì)胞器之間的互作及不同細(xì)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(xué)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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