纳米探针同步辐射X射线荧光显微镜揭示小鼠视网膜色素上皮中富含硒的球形结构及其生理意义

本研究通过高分辨率纳米探针同步辐射X射线荧光显微镜技术，首次在光适应的C57BL6小鼠视网膜外层复合体中发现了富含硒的球形亚细胞结构。研究人员利用ESRF ID16B光束线的硬X射线，在组织、细胞和亚细胞水平上检测到14种内源性元素分布，特别揭示了硒-钙-磷-锌复合结构在视网膜色素上皮(RPE)与光感受器外段(ROS)界面的空间定位特征，为理解金属元素在视网膜生理功能及屏障运输中的作用机制提供了新视角。

　　

在视网膜精细结构的探索中，金属元素的分布与功能始终是未解之谜。视网膜色素上皮(RPE)作为血视网膜屏障(BRB)的关键组成部分，其元素代谢异常与年龄相关性黄斑变性(AMD)等致盲疾病密切相关。然而传统技术难以在亚微米尺度解析多种元素的共定位特征，特别是具有独特氧化还原特性的硒元素在视网膜中的具体形态与功能仍属空白。

英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究团队联合欧洲同步辐射装置(ESRF)的科学家，创新性地应用纳米探针同步辐射X射线荧光显微镜(nano-focus X-ray fluorescence microscopy)，以50 nm的空间分辨率绘制了光适应状态下C57BL6小鼠视网膜外层复合体的多元素分布图谱。这项发表在《Scientific Reports》的研究首次发现了直径约1μm的硒富集球形结构，这些结构被锌层包裹并与钙、磷、锰形成特定组合，可能参与RPE细胞的光感受器外段(ROS)吞噬和跨屏障运输过程。

关键技术方法包括：(1)使用液氮速冻保存3周龄雄性C57BL6小鼠视网膜样本；(2)在ESRF ID16B光束线采用17.5 keV激发能量的硬X射线；(3)通过1μm至50 nm多级分辨率扫描获得14种元素(包括Ba、Br、Ca、Cl、Cu、Fe等)的同步荧光信号；(4)采用PyMCA和ImageJ软件进行2D/3D元素分布重构与定量分析；(5)结合氯(Cl)、钾(K)、磷(P)和硫(S)的分布特征精确定位视网膜各层结构。

【研究结果】

1. 元素分布特征

   通过300 nm分辨率扫描发现锌在脉络膜毛细血管(CC)(45 ppm)、RPE层(47 ppm)和光感受器内段(RIS)线粒体区(32 ppm)显著富集；铁在RIS肌样区(38 ppm)和脉络膜(60 ppm)呈现热点分布；铜在CC(4.3 ppm)和RPE层(4.5 ppm)有特异性定位。钙呈现颗粒状分布特征，在RPE层(1134 ppm)和CC(1101 ppm)浓度最高。

1. 硒的独特分布

   50 nm高分辨成像揭示硒在CC(1.8 ppm)和RPE全层(2.4 ppm)的普遍存在，特别是在RPE顶突与ROS接触界面发现浓度达5.6 ppm的球形结构。这些结构伴随钙(1057 ppm)、磷(9924 ppm)和锰(0.7 ppm)的共定位，并被含锌(最高298 ppm)的膜状结构包裹。

1. 亚细胞铁结构

   在RPE顶突区观察到1μm长的铁富集棒状结构(平均浓度363-427 ppm)，这些结构与含硒球形结构相邻，可能参与电子传递或抗氧化过程。

【结论与意义】

研究首次在脊椎动物视网膜中鉴定出具有明确空间构型的硒-锌-钙复合纳米结构，这些结构跨越RPE细胞的基底膜和顶膜区域，暗示其可能参与：(1)ROS的周期性吞噬过程；(2)跨RPE屏障的物质运输；(3)光适应状态下的氧化还原调控。特别值得注意的是，含锌外壳可能通过锌指蛋白(zinc fingers)介导膜融合事件，而内部的硒-钙-磷组合可能形成具有特殊光电特性的生物矿物。

该发现为理解AMD等视网膜病变中的元素代谢紊乱提供了新的结构基础，同时为开发基于硒纳米颗粒(SeNPs)的视网膜靶向治疗策略开辟了道路。技术层面建立的50 nm级多元素同步成像方法，为复杂组织的金属组学研究树立了新标准。未来研究可进一步探索：(1)硒球形结构的分子组成；(2)光/暗周期对其形态的影响；(3)与已知硒蛋白(如谷胱甘肽过氧化物酶GPx)的空间关系，这将为视网膜疾病的金属元素调控治疗提供更精确的靶点。