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      3月25日,国际著名学术期刊《NanoLetters》在线发表了中国科学技术大学化学与材料科学学院梁高林教授课题组的研究成果,文章标题为《γ-GlutamyltranspeptidaseTriggeredIntracellularGadoliniumNanoparticleFormationEnhancestheT2-WeightedMRContrastofTumor》。该文报道了一种由γ-谷氨酰转肽酶(GGT)诱导的细胞内原位组装钆纳米颗粒的策略,并实现了高强磁场下肿瘤的横向(T2)磁共振成像增强(NanoLett.2019,DOI:10.1021/acs.nanolett.8b05154)。      γ-谷氨酰转肽酶普遍存在于哺乳动物细胞和细菌的膜上,参与内源性谷胱甘肽的代谢和细胞内半胱氨酸水平的平衡,在维持细胞的氧化还原平衡中发挥重要作用。此外,GGT可能通过调节细胞内的氧化还原代谢以促进肿瘤的发展、入侵和耐药。报道表明,许多恶性肿瘤如肝癌、宫颈癌、卵巢癌和乳腺癌中都有过度表达的GGT。作为一种重要的生物标志物,GGT的特异性检测可以用于癌症的早期诊断。磁共振成像(MRI)具有非侵入性、高穿透深度以及优良的空间分辨率,在深层肿瘤的诊断中有着独特的优势。但是,MRI的灵敏度很低,通常需要造影剂来增强正常组织与病理组织的成像对比度。钆造影剂在临床上用于软组织的纵向(T1)磁共振成像。有趣的是,梁高林课题组发现钆纳米结构在高强磁场下(9.4T)可以用作一种新型T2磁共振造影剂。因此,他们在本工作中设计了一种可以在细胞内自组装形成纳米颗粒的钆小分子探针。该小分子探针在进入细胞的过程中被细胞膜上的GGT特异性剪切,然后在细胞内被谷胱甘肽还原,通过CBT-Cys点击缩合反应在细胞内自组装形成钆纳米颗粒(见下图)。他们与中科院强磁场科学中心钟凯研究员课题组合作,在9.4T下小鼠肿瘤活体磁共振成像结果表明,相比于对照组,这种原位GGT特异性诱导的钆纳米颗粒显著增强了小鼠肿瘤的T2加权磁共振成像信号。这种新型的T2磁共振造影剂有望未来应用于临床上γ-谷氨酰转肽酶相关疾病(包括癌症)的诊断。      该论文的共同第一作者为中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生海子娟(目前为安徽大学物质科学与信息技术研究院副教授)和中国科学技术大学化学与材料科学学院硕士生倪艳菡。共同通讯作者为中科院强磁场科学中心钟凯研究员和中国科学技术大学化学系梁高林教授。      该项目研究得到国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、基金委创新研究群体项目和面上项目的资助。      附文章链接:http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b05154

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  酵母菌细胞由于其易培养和易操作性已成为一种在生物学界被广泛应用的模式生物。在遗传学研究中,对已发生基因突变的与人类遗传疾病有关的酵母进行表型研究,极大地提高了人类疾病的诊断和治疗水平。然而,在研究中,研究人员通常需要采集大量的酵母细胞图像,观察基因突变或不同药物处理下的细胞结构和行为。比较常用的酵母细胞的形态分析方法主要依赖于研究人员的手工测量,不但耗时且具有个体差异性。因此,为了更准确地分析酵母细胞的形态和详细结构,需要一种快速有效的酵母细胞图像自动分割算法。   近日,中国科学院苏州生物医学工程与技术研究所李辉课题组开发了一种简单有效的酵母细胞明场图像的自动分割算法。该方法首先自动检测离散的细胞轮廓点(种子),然后通过一种快速稳定的边缘跟踪算法将其连接起来。在稀疏分布的酵母细胞图像中,几乎所有视场内的细胞都可以被正确分割。在密集分布的图像中,形态较正常的细胞也可以完全被正确分割,同时排除了大部分变形的细胞。这种明场图像分割结果可进一步用于荧光图像的标记。   该算法能够克服酵母细胞图像中背景与细胞间的低对比度、细胞边界不连续以及环细胞伪影等问题,避免了常见的过分割和欠分割现象,快速精确地分割图像中正常的酵母细胞。分割结果将用于标记其线粒体和微管的荧光图像,从而更为准确有效的分析细胞体内线粒体和微管的特征。相关结果已发表在JournalofBiomedicalOptics上。   论文链接:https://doi.org/10.1117/1.JBO.23.11.116503    Fig.1初始细胞轮廓点检测    Fig.2初始细胞轮廓点筛选    Fig.3稀疏分布的酵母细胞分割结果    Fig.4密集分布的酵母细胞分割结果

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  果实为何色彩缤纷?哪种颜色的果实爱“流浪”?哪种颜色的果实爱“宅家”?赤道附近的果实为何“黑”?中美科学家通过联合研究,揭开了这些秘密。该成果于近日发表在国际期刊《全球生态与生物地理学》上。  论文第一作者、中科院昆明植物研究所副研究员陆露介绍,五颜六色的果实在大自然中非常醒目,它们的着色是因为含量丰富的类胡萝卜素、花青素和类黄酮等色素。这些色素以不同比例组合,并与复杂的环境相互影响,形成了各种颜色。  科学家选择了杜鹃花科白珠树族植物作为研究对象。  白珠树族是大家常吃的蓝莓近亲,这个族约有280个物种,从海拔0米的海边到400米的亚热带雨林,再到4500米的高山草甸都有分布。它的果实有白、红、蓝、紫、黑五色,以及在这五色基础上加深或变浅的颜色。  “一个族能环太平洋分布,且果实颜色多,引起了我们对其果色与扩散分化、地理分布的好奇。”陆露说。  中科院昆明植物研究所与美国亚利桑那大学、美国得克萨斯州植物研究所组成的团队,在整个环太平洋地区收集了白珠树族的各种材料和信息进行研究,得到了一些有趣的结果。  红色的果实最愿意“出远门”,它们乐于扩散传播到多地,但红果实多是“独生子女”家庭,兄弟姐妹少;蓝紫色果实最爱“宅”着,它们乐于在家附近多“生孩子”,因此家庭成员众多,但不易传播扩散到多地;白色果实可能是红色或蓝紫色果实的白化产物。  研究人员还发现,越接近赤道或海拔越高,蓝紫色果实越多,果实颜色也越深。  该成果揭示了植物扩散传播与果实颜色的关系,为物种循环的大尺度地理分布格局形成方式找到了关键证据。

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  肺癌是世界范围内致死率最高的癌症之一,非小细胞肺癌(NSCLC)患者数量占肺癌患者的80%-85%。淋巴结转移状态关系到患者的临床分期、治疗方案选择以及预后评估,因此,对早期非小细胞肺癌患者,构建精准的术前淋巴结转移预测模型具有重要的临床意义。  近年来,大数据分析技术与医学影像有机结合,影像组学方法应运而生,通过从影像中提取高通量信息进行深层挖掘分析,以实现肿瘤的无创诊断和预后预测。然而,现有影像组学方法主要集中关注肿瘤区域,忽略了肿瘤周围环境。相关肿瘤生物学研究表明,肿瘤周围环境可以分泌大量生长因子和细胞因子,诱导缺氧和血管生成,在肿瘤的发生、发展和转移中起着重要作用,综合分析肿瘤与瘤周信息可更全面地刻画肿瘤的侵袭和转移特性。因此,提取并融合肿瘤和瘤周影像特征有望为影像组学模型构建提供全新思路,进一步提升模型诊断或预测性能。  为此中国科学院苏州生物医学工程技术研究所高欣、夏威、赵星羽等人联合上海长征医院刘士远、李琼、王祥等人,提出了一种新的基于肿瘤和瘤周的影像组学模型,实现对早期非小细胞肺癌患者术前淋巴结转移的精准预测。该研究搜集多台不同型号的CT设备的366名患者,其中转移组71人,非转移组295人。分别从肿瘤区域(GTV)和瘤周区域(PTV)提取高通量影像组学特征(图1),经过特征筛选,利用最小绝对值收敛和选择算子(LASSO)训练分类器模型,最后使用ROC曲线下面积AUC来评估模型的分类能力,AUC值越高,证明模型的分类能力越强。  该研究表明,瘤周区域影像特征可以用来预测早期非小细胞肺癌淋巴结转移,且具有良好的分类能力(AUC=0.825)。此外,将肿瘤和瘤周区域的影像特征混合建立的模型(GPTV,AUC=0.843)优于单独利用肿瘤或瘤周区域特征所建立的模型(图2),展现出两类特征之间具有协同作用。同时,研究发现影像组学模型的预测精度优于临床医生,若将影像组学模型与医生判断淋巴结转移的影像特征进行融合构建人机结合模型,预测精度又进一步提升(AUC=0.862)。  以上研究的意义在于,验证了以往临床忽略的瘤周区域对淋巴结转移预测的重要价值,揭示了人机结合模式是未来临床工作的发展趋势,为未来的医学影像辅助诊断研究提供了新思路。  相关成果发表于EuropeanRadiology,其中王祥与赵星羽是并列第一作者。  论文链接 图1.肿瘤和瘤周区域的定义  图2.影像组学模型ROC(a)训练集(b)测试集,其中横轴为特异度,纵轴为灵敏度

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  氨基酸等有机小分子向蛋白质等生物大分子的转化是早期地球生命化学演化的重要阶段之一。粘土矿物在早期地球环境中分布广泛,其表面反应活性高,易与有机质结合,被认为是影响有机大分子形成的重要潜在因素。多年来,许多研究组已对水溶液体系(模拟原始海洋环境)中粘土矿物对氨基酸等有机小分子聚合形成有机大分子的反应机制开展了大量研究。除原始海洋环境外,早期地球也存在促使有机小分子在高温干态下发生热演化的环境。在火山喷发作用所导致的高温、无水环境中,氨基酸等小分子会经历复杂的高温热演化;而粘土矿物与有机质在沉积环境中往往紧密共生;因此,研究粘土矿物与有机小分子形成的复合体在火山喷发作用所致高温干态条件下的热演化机制,尤其是粘土矿物对氨基酸的脱水、缩合和分解等热演化反应所具有的作用,对于理解生命的化学演化过程具有重要意义。  中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室矿物表界面作用学科组袁鹏研究组以早期地球环境中广泛存在的膨胀性粘土矿物为模型矿物,研究了其与系列有机小分子复合体系中界面复合方式、矿物结构和有机质特性对有机分子热演化的影响,以期为深入认识粘土矿物在有机小分子向生物大分子转化这一重要过程中的角色提供依据。在粘土矿物-氨基酸复合体的相关研究中,该组采用多类型、具不同特征官能团和不同链长的氨基酸,与粘土矿物复合而形成矿物-有机质复合体;综合运用矿物结构分析、原位(加热)漫反射红外光谱和热重-红外光谱等方法,模拟了高温干态条件下氨基酸分子的热演化反应。通过系统分析反应产物组成和变化特征,探讨了粘土矿物微结构和固体酸性等表面性质影响有机小分子热演化的微观机制。  该研究工作近期获得以下新认识:提出粘土矿物的固体酸性及微结构对粘土矿物-氨基酸复合体中氨基酸的热演化具有显著影响,是其热演化反应途径、产物类型和热稳定性的关键制约因素。当氨基酸位于粘土矿物层外时,对于精氨酸等碱性氨基酸,粘土外表面固体酸位促使大分子有机质的形成温度显著低于纯相氨基酸体系;对于甘氨酸等中性氨基酸,粘土矿物强烈影响缩合产物的类型,导致粘土矿物-氨基酸复合体系的产物以线性大分子为主,而纯相氨基酸体系的缩合产物则以环状大分子为主。当氨基酸位于粘土矿物的层间域时,氨基酸热演化受空间位阻效应以及氨基酸与粘土片层之间静电作用的强烈影响,导致氨基酸分子间发生缩合形成含肽键大分子的初始温度升高。无论氨基酸存在于粘土矿物层间还是层外,其缩合所形成的有机大分子等产物的热稳定性都得到明显增强,表明粘土矿物对有机大分子产物具有保护效应。该成果近期发表于ChemicalGeology,论文第一作者和通讯作者分别为卜红玲和袁鹏。研究工作得到国家自然科学基金、中科院青年创新促进会优秀会员项目等的资助。  论文信息:BuHongling,YuanPeng*,LiuHongmei,LiuDong,QinZonghua,ZhongXuemin,SongHongzhe,LiYun.2019.Formationofmacromoleculeswithpeptidebondsviathethermalevolutionofaminoacidsinthepresenceofmontmorillonite:InsightintoprebioticgeochemistryontheearlyEarth.ChemicalGeology.510,72–83.粘土矿物影响氨基酸热演化形成有机大分子的反应机制简图

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  聚合物共混是改善体系性能的一种简单、有效的手段。与单一聚合物体系相比,共混体系的发泡行为和泡孔结构难以预测和精准调控,原因在于影响因素多,包括相形态、相界面异相成核、两相粘弹性差异、CO2在两相中的溶解度差异等。其中,共混体系的相形态是影响发泡行为的一个重要因素。通过改变共混体系组成或添加界面相容剂等手段可以改变相形态,且已被证明会明显影响发泡行为。对于前述手段,体系的组成和界面张力改变;而在聚合物加工过程中,体系通常经历不同程度的退火过程,相形态发生改变,而体系的组成和界面张力保持不变。在这种情况下,相形态的改变如何影响体系的发泡行为仍然不明确。  针对该问题,宁波材料所高分子先进加工团队选用聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯(PS/PMMA)共混物为研究对象,其既为经典不相容体系,又为常用的发泡体系,以熔融状态下共混体系相分离为驱动和调控手段,可研究相形态的演化对体系发泡行为和发泡温度窗口的影响。通过控制相分离时间,可调控共混体系相形态演化,进而研究其对体系发泡行为的影响。研究表明,PS/PMMA共混体系的泡孔结构与相形态演化密切相关。对于相区尺寸较小的样品(如PS20/PMMA80,PS80/PMMA20),随相形态演化,发泡样品保持均匀泡孔结构。而对于具有双连续结构的样品或具有较大相区尺寸的海-岛结构的样品(如PS60/PMMA40),长时间的相形态演化对泡孔结构影响显著。相区尺寸较大时,体系的异相成核作用减弱,均相成核作用相对增强,两相各自的发泡特点逐渐显现,导致体系出现各种非均匀的泡孔结构(如图1)。在此基础之上,科研人员进一步研究了PS60/PMMA40体系相形态的演化对发泡窗口的影响。研究表明,发泡温度下限对相形态演化不敏感;而当相区较大时,发泡温度上限对较高的饱和压力非常敏感,使得最高发泡温度降低,这导致体系发泡温度窗口变窄(如图2)。本研究不仅丰富了共混体系相形态对体系发泡行为影响的认识,更重要的是,提出了共混体系的发泡温度窗口对形态演化和饱和压力的依赖性,同时,指出了两相粘弹性差异对发泡行为和发泡窗口影响的决定作用。本文的研究结果发表在Polymer,2019,166:63-71和JournalofAppliedPolymerScience,2018,135,46704上。  本研究获得了国家自然科学基金(51603222)、浙江省公益技术应用研究计划项目(LGG19E030003)和宁波市自然科学基金(2018A610033)的支持。图1各个样品经历100min退火后发泡得到的泡孔结构图2退火2min和100min的PS60/PMMA40样品的发泡温度窗口对饱和压力的依赖性  (高分子事业部庞永艳)

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【科技日报】六年,中科院与非洲联合实施48项科研合作项目
【中国科学报】科学的春天
苏州医工所等提出融合瘤周影像特征的影像组学建模新思路
广州地化所揭示粘土矿物影响有机小分子缩合形成大分子的机制
宁波材料所在探索聚合物共混体系相形态演化对发泡行为和发泡窗口的影响方面取得进展
成都生物所在植物物种形成机制研究方面取得进展