胆固醇是细胞内含量非常丰富的一类脂质分子，它的分布极不均匀且高度动态运输，对维持细胞的正常生命活动至关重要。但是到目前为止，并没有可靠的方法能够对胆固醇的不均匀分布做到可视化与定量研究。Das等人[1,2]的前期研究发现，细胞质膜中的胆固醇可以划分为两类“富集池”：一类胆固醇被鞘磷脂螯合，其它分子难以接近；而另一类可以被改构的菌溶素O（PFO）接近与结合，被称之为“可及胆固醇”。
近日，PNAS最新研究报道来自加州大学洛杉矶分校和西澳大利亚大学的研究人员开发了一种显示细胞和组织中胆固醇分布的新方法[3]。他们利用高分辨率显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术（Nano SIMS）观察到胆固醇进出细胞的运动状态，能够可视化和量化细胞表面上称为“可及胆固醇”的胆固醇池。通过利用细菌蛋白质结合NanoSIMS成像，研究人员表明，这些可接近的胆固醇池不是均匀地分布在细胞的质膜上，而是高度富集在质膜微绒毛的特异突起部位。
微绒毛（microvilli）是细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在于动物细胞表面。微绒毛直径约为0.1μm。长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。微绒毛侧面质膜有侧臂与肌动蛋白丝束相连，从而将肌动蛋白丝束固定。过去，其他科学家就推测，微绒毛在将胆固醇移入和移出细胞中起作用。而如今发现发现“可及胆固醇”高度富集在微绒毛区域，这就有力的支持了这种观点。

Nano SIMS具有较高的灵敏度和离子传输效率、极高的质量分辨率和空间分辨率（﹤50 nm），代表着当今离子探针成像技术的最高水平。二次离子质谱技术（SIMS）是20 世纪70 年代发展起来的一种表面分析技术，它以一种离子（如Cs+或O－初级离子束）轰击固体表面，再将从表面溅射出来的次级离子引入磁场质量分析器，不同离子根据质荷比不同在静电场区被分离开，经质谱检测器检测记录并成像，得出被分析样品表面的元素或化合物的组分。SIMS可以检测从氢到铀的所有元素、同位素和化合物，并以检测原离子轰击样品表面产生的特征“指纹”次级离子谱为基础的，因此既可提供样品表面元素的信息，也可提供化学组分的信息，具有较高的空间分辨率和质量分辨率。SIMS 技术经历了几次更新，被广泛应用于材料学、生物医学、地质学和土壤学等领域。通过利用稳定性或放射性同位素在原位或者微宇宙条件下标记目标，并与特异性的荧光原位杂交技术（FISH）、催化报告沉积荧光原位杂交技术（CARD-FISH）、卤素原位杂交技术（HISH）等联合应用，Nano SIMS 为从单细胞成像水平上研究复杂环境样品中微生物群落的组成和代谢特征提供了前所未有的可能性，其极高的灵敏度和准确性比其它的单细胞研究手段更具优势。
NanoSIMS成像提供了对质膜上胆固醇分布的独特视角，未来的研究将有可能评估细胞处理过量胆固醇的机制，更好地了解细胞和组织中胆固醇运动的机制，去开发降低血液中胆固醇水平的新策略，或至少是优化现有降胆固醇药物的效果的新策略。
例如，过氧化物酶体功能缺失会导致过氧化物酶体紊乱疾病，表现为发育和神经系统功能障碍，目前没有有效的治疗手段。研究揭示在这些病人和小鼠模型的细胞中有大量胆固醇堆积，且该现象的出现大大早于神经症状。胆固醇堆积是过氧化物酶体紊乱疾病的发病原因之一，我们可以利用NanoSIMS成像去筛选与鉴定与胆固醇运输相关的基因，进而去发现溶酶体通过和过氧化物酶体相互接触，将胆固醇转移给后者的可能方式，为治疗该类疾病提供了全新思路。
 
原文标题：
High-resolution imaging and quantification of plasma membrane cholesterol by NanoSIMS
 
参考文献：
1. Das A, Goldstein JL, AndersonDD, Brown MS, Radhakrishnan A (2013) Use of mutant 125I-perfringolysin O to probe transport and organizationof cholesterol in membranes of animal cells. Proc Natl Acad Sci USA110(26):10580–10585.
2. Das A, Brown MS, Anderson DD,Goldstein JL, Radhakrishnan A (2014) Three pools of plasma membrane cholesterol and their relation tocholesterol homeostasis. eLife 3:02882
3. He C, Hu X, Jung RS, et al.(2017) High-resolution imaging and quantification of plasma membranecholesterol by NanoSIMS. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Feb 21;114(8):2000-2005.