医学超微结构学概述

医学超微结构学概述 吴晓英教授 医学超微结构学教研室 原电镜室 2012 2 20 一 概念 1 细胞生物学 细胞整体亚细胞结构分子结构 2 医学细胞生物学 细胞生物学的分支 其目的就是从医学的角度研究细胞 3 显微结构 microscopicstructure 是指在分辨本领约为0 2微米的光学显微镜下所能观察到的细胞结构 如核仁 线粒体 中心体等 4 亚显微结构 submicroscopicstructure 是指用光学显微镜观察不到 必须用电子显微镜或其他技术才能见到的细胞微细结构 5 超微结构学 ultrastructure finestructure 是指细胞或组织在分子水平或亚显微水平的结构 即指在电子显微镜下显示的结构 电子显微镜能观察的范围很广 从细胞内的各种细胞器 细胞的表面结构和各种细胞连接 及细菌 含纳米细菌 支原体和病毒等各种病原微生物 甚至能看到分子结构 如DNA的结构 以及原子结构 如已见到钨的原子结构 在电镜下 亚显微结构与超微结构不具有明显界限 统称 超微结构 医学超微结构学 是一门交叉性的基础学科 它主要讲述 正常人体组织 细胞及与医学实验相关的动物细胞在电镜下的超微结构 即各种细胞 细胞器 细胞核和膜结构 细胞表面结构及细胞连接等 细菌 支原体 衣原体 霉菌 病毒 寄生虫等病原微生物的超微结构 核酸 脂质体等生物大分子及医用纳米材料等的超微结构 它是为了响应我国医学教学体系改革的需要 是为了适应全球医学教育基本标准而分离出来的一门新学科 是细胞生物学的纵向延伸 在形态上又是组织胚胎学的深入与发展 它是临床医学 预防医学 麻醉学及检验等相关专业必修的基础科目 其任务是使学生掌握正常组织与细胞的超微结构 掌握细菌 病毒等的超微形态与鉴定 了解电子显微镜 简称 电镜 在生物医学中的应用及其生物样品的制备技术 了解基于电镜技术的超微病理学在基础研究与临床诊断中的广泛应用 了解超微结构学的新知识和新技术 二 超微结构学的主要内容 1 主要 人体细胞及与医学实验相关的动物细胞在电镜下的超微结构 各种细胞器和膜结构 细胞的表面结构及细胞连接 也介绍细胞基质的超微结构 细菌 支原体 衣原体 霉菌 病毒等病原微生物和寄生虫的超微结构 以及与医学有关的纳米材料的超微结构等内容 2 电镜原理 电镜生物样品的制备技术 三 电子显微镜及其技术简介 1 何为电镜 电子显微镜 electronmicroscope 简称电镜 是使用电子来展示物件的内部或表面结构的显微镜 显微镜 实质上是一类工具 是显微镜的一种 但电镜是大型精密仪器 其原理 结构与光镜显著不同 1924年deBroglie发现电子具有波动性与粒子性加速电压为60千伏时 波长为0 05x10 10米 高速运动的电子在电场或磁场的作用下 会发生折射 并且能被聚焦 能聚焦即能成像 原理 高速运行的电子的波长比可见光的波长短 波粒二象性 电子显微镜的分辨率 约0 1纳米 远高于光学显微镜的分辨率 约200纳米 光学显微镜的分辨率受其使用波长的限制 2 电子显微镜的产生 1931年Ruska与Knoll正式发表论文 研制出第一台电子显微镜 Ruska对电镜术的贡献在于他设计了电磁透镜 今日的电镜即沿用此设计 1986年Ruska获诺贝尔奖金的物理奖 1932年 经过鲁斯卡的改进 电子显微镜的分辨能力达到了50纳米 约为当时光学显微镜分辨本领的十倍 突破了光学显微镜分辨极限 于是电子显微镜开始受到人们的重视 到了二十世纪40年代 美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性 使电子显微镜的分辨本领有了新的突破 逐步达到了现代水平 中国 1958年研制成功透射式电子显微镜 其分辨本领为3纳米 1979年又制成分辨本领为0 3纳米的大型电子显微镜 宏观水平显微水平亚微水平物细胞水平分子水平肉眼LMEM0 2mm0 2 m0 1nm超过300万倍 电镜的产生使医学经历了三个飞跃 分辨率 4 透射电镜的基本原理 镜筒 成象系统 采图系统 4 电镜技术 1 超薄切片技术2 负染色技术3 冰冻复型技术4 冷冻超薄切片技术5 电镜酶细胞化学技术6 免疫电子显微镜技术7 电镜放射自显影技术8 核酸大分子的电镜样品制备技术9 SEM电镜样品制备技术10 电子微探针 TEM或SEM与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合 电子显微镜 简称 电镜 的问世为人类探索微观世界的奥妙开辟了新纪元 一个多世纪以来 电镜技术的飞跃发展 电镜制样技术的不断创新 使电镜的应用日益广泛 涉及到工业 农业 地质 医学及生物学等的各个领域 电镜在医学上的应用 早在40年代已经开始 在病毒学 细胞生物学 组织学 病理学 分子生物学及分子病理学等研究领域均作出了卓越的贡献 近20年来 电镜从医学理论性的研究逐渐扩大到临床医学的实际应用方面 例如 对疾病的病情 病因的鉴定 对肿瘤 血液病及肾脏病等的分型诊断方面都取得了显著成效 我们正处在医学飞速发展的新时代 人们对疾病的认识水平不断提高 新的诊疗手段不断涌现 广大医务工作者及医学生迫切需要这方面的知识 以便更好地开展医学科研工作及临床诊断 四 学习超微结构及电镜技术的必要性 肺泡蛋白沉着症LMTEMSEM元素分析冷冻蚀刻 SEM 冰冻断裂复型技术及免疫电镜技术显示紧密连接蛋白 五 电镜及其技术在医学中的应用 基础医学临床诊断发展趋势 新应用 纳米材料检测 DNA构象 1 EM在医学中的应用 在基础医学方面 a 观察细胞的亚微结构 线粒体 内质网 高尔基体 溶酶体等细胞器的接构及病理变化 b 观察药物的代谢机理及对亚微结构的影响 c 研究病毒的作用机理及作用靶 d 探讨分子病理学的发生机制 e 研究大分子在生理和病理条件下的作用方式 f 其它 如功能蛋白质组的亚细胞定位 纳米药物的研制等 概述 在基础医学方面 细胞生物学 组织学 病毒学 病理学 分子生物学的发展中作出了巨大贡献并在继续应用中 EM及其技术在临床诊断中的应用 临床方面 已广泛应用于临床各种疑难病的诊断 如肿瘤cell来源的鉴别 血液病和肾脏病的分型诊断 病毒性疾病因诊断 支原体 衣原体的鉴别 神经系统疑难病和各种代谢性疾病的诊断 张孝骞院长说过 在基础医学的科目中 他认为病理学与临床最接近 是基础医学与临床医学之间的桥梁 要学好临床要先学好病理学 医学生要下苦工夫学好病理学 一 向更微细的结构 生物分子 原子水平发展 电子显微镜正成为分子生物学 基因分子遗传学非常重要的研究工具 电子显微镜技术应用于细胞生物学 分子生物学的分子结构与功能关系 蛋白 抗体 DNA等的定位已成为当前的总趋势 二 向更普及的应用方向发展 在农林 医药 动植物等生命科学中 应用方面最引人注目的是病理诊断电子显微学 在临床医学方面 它已成为一些疾病 如某些癌瘤 病毒病 代谢性疾病及肾脏病等进行诊断必不可少的工具 六 发展趋势 七 超微结构观察与研究中值得注意的问题 1 局部与整体的关系 EM下 极小的一部分 超薄切片获得的样品厚度只有一个细胞的几百分之一 必须同时进行大体和组织学的观察 才能获得全面的资料 2 静态和动态的关系 在常规电镜技术中 不能观察活细胞 故细胞结构是瞬间静态的图象 实际上 细胞是运动和变化 细胞超微结构也是动态的 防止单纯的形态描述 3 半薄切片 补充上述缺陷 生物样品的普通石蜡切片厚度为5微米左右 其观察深度远比超薄切片为大 即在石蜡切片和超薄切片之间不仅有观察范围大小的区别 也有观察厚度大小的显著差异 半薄切片厚度为1微米左右 一方面可为超薄切片定位 以选取电镜下观察部位 另一方面可供光镜观察标本的整体面貌 通过LM观察半薄切片可以检见通常在石蜡切片难以检见的形态结构 并据此可做出诊断 因为制作半薄切