透射電子顯微鏡在醫(yī)學(xué)院校中的實際應(yīng)用及教學(xué)思考

[摘 " " " " " 要] "透射電子顯微鏡是超大型的精密儀器，目前在材料科學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過介紹透射電子顯微鏡的發(fā)展歷程和透射電子顯微鏡在醫(yī)學(xué)院校中的實際應(yīng)用，并結(jié)合湖北醫(yī)藥學(xué)院實際情況，對透射電子顯微鏡教學(xué)進行思考，以使醫(yī)學(xué)院校學(xué)生能更加理解學(xué)習(xí)透射電子顯微鏡技術(shù)的重要性，并提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。

[關(guān) " "鍵 " 詞] "透射電子顯微鏡;醫(yī)學(xué)院校;應(yīng)用;教學(xué)思考

[中圖分類號] "G642 " " " " " " " " " [文獻標(biāo)志碼] "A " " " " " " " " [文章編號] "2096-0603（2022）31-0142-03

一、透射電子顯微鏡的發(fā)展歷程

（一）電子顯微鏡發(fā)明的背景

在生命科學(xué)的發(fā)展過程中，人類是從宏觀到微觀不斷深入對機體的認(rèn)識的，為了滿足人類對生命個體的研究需求，應(yīng)運而生了光學(xué)顯微鏡，放大倍數(shù)和分辨率也一直在改善和提高，但受制于“阿貝極限”，光學(xué)顯微鏡的分辨率始終無法突破200納米。為了繞開“阿貝極限”，取得比200納米更高的分辨率，科學(xué)家們開始另辟蹊徑，并在1931年研制出世界上第一臺透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM），這是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，為生命科學(xué)的迅速發(fā)展創(chuàng)造了條件。

（二）透射電子顯微鏡的發(fā)展

目前，電子顯微鏡大致分為三類，包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和分析電子顯微鏡。其中，透射電子顯微鏡又可細(xì)分成五類，分別為超高壓電子顯微鏡、高壓電子顯微鏡、高分辨率電子顯微鏡、普及型電子顯微鏡和簡易型電子顯微鏡。透射電子顯微鏡在醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，不同于光學(xué)顯微鏡以光束作為光源，它采用電子束作為光源，放大的原理是當(dāng)電子束通過電子磁透鏡時，由于電磁場的作用使電子改變其運動方向而匯聚在一點，然后發(fā)散，并通過接收透過樣品的電子所產(chǎn)生的物理信號，從而把物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)放大成像，在生物醫(yī)學(xué)電子顯微科學(xué)領(lǐng)域，主要用透射電子顯微鏡觀察組織細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

二、透射電子顯微鏡在醫(yī)學(xué)院校的應(yīng)用

由于透射電子顯微鏡價格昂貴、操作復(fù)雜、數(shù)量稀少等原因，學(xué)生大多只能在課堂上學(xué)習(xí)一些理論知識，而沒有機會自己動手實際操作，因而對透射電子顯微鏡的學(xué)習(xí)興趣大打折扣，對它的了解也僅限于初級理論，對它的學(xué)習(xí)重要性也不能充分理解。我校于2021年初購入一臺日立HT7800透射電子顯微鏡，目前主要應(yīng)用于研究生教學(xué)和科研工作。下面簡要介紹一下目前透射電子顯微鏡在醫(yī)學(xué)院校中的應(yīng)用。

（一）透射電子顯微鏡對納米藥物研究的應(yīng)用

透射電子顯微鏡具有放大倍數(shù)高、分辨率高等特點，在材料科學(xué)領(lǐng)域和藥劑學(xué)納米藥物的研究方面被廣泛應(yīng)用。對于納米藥物的形貌特點、粒徑等能夠做出準(zhǔn)確、直觀的觀察和測量，對于藥物研發(fā)和納米藥物的合成研究有很大的幫助。谷峙樾等通過透射電子顯微鏡對碳酸鈣復(fù)合載藥納米粒的形貌觀察，研究碳酸鈣復(fù)合載藥納米粒制備的最佳條件，使其物理性質(zhì)穩(wěn)定，空腔壁薄厚適中利于載藥，納米粒徑較小利于其在體內(nèi)代謝[1]。圖爾蓀阿依·圖爾貢等通過透射電子顯微鏡對納米金進行粒徑觀察和分析，并找到最佳的制備條件，通過在制備過程的反應(yīng)體系中加入細(xì)菌素作為納米金的帽子試劑，增強納米金粒子的穩(wěn)定性，增強其穿透性以發(fā)揮抑菌作用[2]。王金悅等利用透射電子顯微鏡對染色后的七葉皂苷鈉固體脂質(zhì)納米粒進行直觀的觀察，以找到最佳的制備方法[3]。透射電子顯微鏡可以直觀地觀察各種條件下納米藥物的合成情況，并且制樣方法簡單、快速，可以為科研人員快速提供直觀的電鏡圖片，幫助其及時更改合成條件，以得到符合預(yù)期的納米藥物。

（二）透射電子顯微鏡對實驗動物和人體組織樣品超微結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)院校各科研人員在對生命科學(xué)的研究中會經(jīng)常使用實驗動物進行各項實驗觀察和研究，還會根據(jù)實驗研究目的對相關(guān)的器官、組織等進行取材，而透射電子顯微鏡能夠直觀地觀察動物和人體組織樣品的超微結(jié)構(gòu)如細(xì)胞連接、各種細(xì)胞器、纖毛、微絨毛等，能對各種疾病動物模型和臨床病人的病情判斷起到關(guān)鍵性作用。常志尚等利用透射電子顯微鏡觀察糖尿病大鼠模型回腸組織，發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠回腸上皮細(xì)胞連接超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常增寬，直觀地了解糖尿病大鼠腸黏膜機械屏障的功能狀態(tài)[4]。章梟等通過透射電子顯微鏡觀察肝癌患者術(shù)后標(biāo)本組織中溶酶體形態(tài)和數(shù)量的變化，發(fā)現(xiàn)溶酶體在肝癌患者術(shù)后標(biāo)本組織中形態(tài)無明顯異常變化，但是其數(shù)量在癌旁和癌灶樣本中明顯增多[5]。劉凱等通過透射電子顯微鏡對多發(fā)性骨髓瘤小鼠模型瘤組織超微結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，龍葵總堿通過促進骨髓瘤細(xì)胞的自噬促進瘤細(xì)胞的凋亡從而發(fā)揮抑瘤作用[6]。邢敏等利用透射電子顯微鏡觀察APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠海馬組織，發(fā)現(xiàn)其與野生組相比，海馬區(qū)神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)線粒體大小不一，部分固縮，自噬溶酶體數(shù)量增多，內(nèi)容物含脂滴樣成分，神經(jīng)元出現(xiàn)退行性變化，數(shù)量減少;星形膠質(zhì)細(xì)胞活化、腫脹，細(xì)胞基質(zhì)變淺，可見自噬泡以及營養(yǎng)障礙性突觸，可能是APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠記憶力減退的原因，由此來模擬阿爾茨海默病病理模型，為研究阿爾茨海默病提供小鼠模型[7]。梁萍等利用透射電子顯微鏡對急性腦缺血/再灌注損傷大鼠腦組織星形膠質(zhì)細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)三七可以減輕腦缺血引起的細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)損傷，細(xì)胞周圍無明顯水腫，細(xì)胞核無明顯皺縮，細(xì)胞器尚清晰可見[8]。周晨明等通過透射電子顯微鏡對原發(fā)性纖毛不動綜合癥患者和正常人的支氣管黏膜活檢標(biāo)本的超微結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)原發(fā)性纖毛不動綜合癥患者的纖毛結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常[9]。

（三）透射電子顯微鏡對培養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌樣品超微結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用

透射電子顯微鏡能夠?qū)ε囵B(yǎng)細(xì)胞樣品的超微結(jié)構(gòu)如細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體以及自噬體等作直觀的觀察;對培養(yǎng)細(xì)菌樣品超微結(jié)構(gòu)的觀察具有非常大的優(yōu)勢，對細(xì)菌細(xì)胞壁、細(xì)菌的分裂可直觀觀察，而通過負(fù)染的細(xì)菌樣品能夠直觀觀察細(xì)菌菌毛、鞭毛等結(jié)構(gòu)。王雪林等通過黃嘌呤氧化酶誘導(dǎo)肺癌A549細(xì)胞建立細(xì)胞自噬模型，再利用3-甲基腺嘌呤和不同濃度的黃芪多糖進行干預(yù)，用透射電子顯微鏡對模型組和干預(yù)組細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)進行觀察發(fā)現(xiàn)，黃芪多糖可能是通過抑制細(xì)胞自噬發(fā)揮抗腫瘤作用[10]。張晨等用透射電子顯微鏡對兩株對萬古霉素敏感性減低的金黃色葡萄球菌的超微結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)可能是這兩株金黃色葡萄球菌的細(xì)胞壁增厚導(dǎo)致其對萬古霉素的敏感性減低[11]。

（四）透射電子顯微鏡對外泌體、病毒等超微粒子樣品超微結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用

外泌體含有豐富的生物標(biāo)志物，在細(xì)胞的信息傳遞中扮演重要角色，是目前生物學(xué)研究的熱門領(lǐng)域。透射電子顯微鏡能夠直觀觀察細(xì)胞外囊泡如外泌體等。根據(jù)國際細(xì)胞外囊泡協(xié)會2014年發(fā)表的一個指導(dǎo)手冊（MISEV），透射電子顯微鏡是觀察樣品中細(xì)胞外囊泡的形態(tài)特征和鑒定外泌體的基本方法之一。通過負(fù)染色的方式使外泌體在透射電子顯微鏡下顯色，從而對外泌體進行鑒定，并觀察外泌體的形態(tài)。朱艷等利用透射電子顯微鏡對外泌體負(fù)染色效果進行研究，發(fā)現(xiàn)醋酸雙氧鈾對外泌體的負(fù)染色效果最好[12]。陳晶等利用透射電子顯微鏡對原代培養(yǎng)的大鼠脂肪干細(xì)胞來源的外泌體進行鑒定，用于后續(xù)對糖尿病腎病的研究[13]。透射電子顯微鏡能夠直觀地觀察病毒的形態(tài)，鄭夔等通過透射電子顯微鏡對廣州本地感染的COVID-19確診病例采集的咽拭子樣本分離出的新型冠狀病毒進行鑒定，觀察到細(xì)胞外游離病毒顆粒以及細(xì)胞質(zhì)囊泡內(nèi)充滿病毒顆粒的包涵體，對新型冠狀病毒性肺炎的研究起到重要作用[14]。

三、透射電子顯微鏡的教學(xué)思考

透射電子顯微鏡對于醫(yī)學(xué)生來說是非常實用和常用的一種電子光學(xué)儀器，但是目前醫(yī)學(xué)生的教學(xué)課程中對它的介紹非常少，結(jié)合我校實際，我校的透射電子顯微鏡課程主要設(shè)置在研究生的現(xiàn)代儀器分析課程中進行教學(xué)，但是課時少，理論課僅2課時，實操課2課時，想要真正理解并掌握其理論和使用方法，對于透射電子顯微鏡這種大型儀器來說是遠遠不夠的。特別是實操培訓(xùn)課，僅只有老師做演示，一大群學(xué)生圍在老師和儀器周邊，可能根本看不清楚操作流程，更別說是自己動手上機操作了。當(dāng)然，這與我校透射電子顯微鏡起步較晚、數(shù)量稀少、設(shè)備價格昂貴、需專人維護保養(yǎng)等有直接關(guān)系。結(jié)合本校的教學(xué)實際和基本情況，本人有幾點教學(xué)建議。

（一）課前發(fā)放學(xué)習(xí)資料

在上理論課之前，先向?qū)W生發(fā)放詳細(xì)的學(xué)習(xí)資料，可以是電子資料或者紙質(zhì)資料，并向?qū)W生推薦需通過圖書館借閱等方式自行閱讀的相關(guān)參考書目。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括電子顯微鏡的分類、基本構(gòu)造及原理等基礎(chǔ)知識，結(jié)合我校實際情況，重點介紹各種樣品的取材方法，讓學(xué)生熟悉相關(guān)理論知識，并能在平時實驗中多次練習(xí)，熟練操作方法，這樣，如需送檢電鏡樣本，便能大大提高成功率。

（二）線上視頻課程的學(xué)習(xí)

學(xué)院組織拍攝透射電子顯微鏡操作線上視頻課程，我校目前已全面實現(xiàn)現(xiàn)代儀器分析課程線上視頻教學(xué)，結(jié)合課后練習(xí)題掌握透射電子顯微鏡操作中的重點、難點，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排在線上反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，完成課后練習(xí)題和期末測試題。結(jié)合已經(jīng)發(fā)放到手邊的相關(guān)學(xué)習(xí)資料，更快速、更直觀地熟悉透射電子顯微鏡各部分每個按鍵及軟件界面的各種功能，在線下教學(xué)上機實操過程中能提高學(xué)習(xí)效率，十分快速地掌握操作方法。

（三）線下理論課程的教學(xué)

在線下理論課授課過程中，重點講解透射電子顯微鏡的成像原理，深入淺出地介紹透射電子顯微鏡的電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)等，使每位學(xué)生初步了解透射電子顯微鏡及各部分的功能特點，理解透射電子顯微鏡相關(guān)操作的理論依據(jù)。在期末理論知識測驗中，對相關(guān)重點知識進行復(fù)習(xí)考核。

（四）實操培訓(xùn)對學(xué)生分組教學(xué)

將選擇現(xiàn)代儀器分析課程的學(xué)生按照每小組4人分成若干個小組，組織線下學(xué)習(xí)透射電子顯微鏡的上機操作方法。一次線下教學(xué)只針對一個小組成員，讓小組中的每一位成員在熟悉理論的基礎(chǔ)上能夠?qū)嶋H操作一遍，做到人人參與。針對學(xué)生多，分組數(shù)量大，而電鏡又沒有相對集中的空閑機時的問題，可以根據(jù)電鏡的使用機時情況，靈活安排實操課程的上課時間。

（五）將平時的分析測試任務(wù)和線下教學(xué)結(jié)合起來

對透射電子顯微鏡感興趣的學(xué)生和有電鏡相關(guān)科研任務(wù)的學(xué)生可以通過與電鏡管理專任教師進行預(yù)約，利用自己的碎片時間，在教師利用透射電子顯微鏡進行分析測試時進行觀摩學(xué)習(xí)，直觀地學(xué)習(xí)電鏡圖片的拍攝方法和電鏡圖片的觀察分析方法。

四、結(jié)語

透射電子顯微鏡是我們醫(yī)學(xué)相關(guān)科研工作者觀察超微結(jié)構(gòu)的有力工具，我們要利用它對生命科學(xué)做更深入的研究和探索。目前，透射電子顯微鏡應(yīng)用日益廣泛，但由于我校購入透射電子顯微鏡時間不長，開展相關(guān)的教學(xué)和科研的時間也很有限，在透射電子顯微鏡的教學(xué)和科研方面還有許多需要學(xué)習(xí)和改進的地方。我們作為儀器管理人員還需努力根據(jù)學(xué)校科研進展的需要，學(xué)習(xí)植物和病毒的制樣和電鏡觀察，為藥用植物的研究和即將建成的P3實驗室的科研工作打好基礎(chǔ)，加強人才培養(yǎng)和實驗室建設(shè)，更好地服務(wù)于醫(yī)學(xué)教學(xué)和科研工作。

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編輯 馬花萍

作者簡介：李方舟（1995—），女，漢族，湖北十堰人，碩士研究生，助理實驗師，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)。

通訊作者：戴文敬（1990—），女，漢族，湖北天門人，碩士研究生，助理實驗師，研究方向：超微病理學(xué)。