每年约有 2000 万人被新诊断出患有癌症，近 1000 万人因此死亡。虽然功能失调的蛋白质是破坏细胞稳态的恶性肿瘤的主要原因，但基因异常与癌症之间的关系在癌症研究领域已得到充分认可。到目前为止，癌症预防的重点是减少基因改变带来的负面影响。然而，化学预防中，改变这些受损基因编码的蛋白质的趋势日益明显。例如，BRCA1 蛋白有助于修复 DNA 损伤，从而起到抑制肿瘤的作用。功能较差的 BRCA1 个体的遗传不稳定性增加，从而增加了诱发癌症的风险。
单粒子分析和低温断层扫描是低温电子显微镜 (cryo-EM) 系列方法的两个例子，用于生成生物系统的高分辨率结构数据。在低温电子显微镜中，样品溶液被快速冷冻，以保留样本的自然结构并阻止结晶冰的形成。这会导致单个蛋白质悬浮在冰中，并以各种随机角度定向，这就是在单粒子分析中观察到的。然后使用低温透射电子显微镜 (cryo-TEM) 对蛋白质进行可视化，从而创建数百个样品的 2D 投影。然后，将这些投影组合起来可以创建蛋白质的高分辨率 3D 模型。原子分辨率是可以想象的，并且随着当代电子探测器和分析工具的发展，这种分辨率变得越来越高。
通过将低温电子显微镜与三维重建相结合，过去几年中，结构生物学取得了许多重大进展。硬件和软件的进步是低温电子显微镜发展的主要因素。图像记录设备和电子显微镜是硬件的例子；三维重建技术和图像数据处理是软件的例子。
Data Bridge Market Research 分析了 2022-2029 年预测期内全球低温电子显微镜市场的增长率。在上述预测期内，全球低温电子显微镜市场的预期复合年增长率趋于 8.67% 左右。2021 年市场价值为 7.2543 亿美元，到 2029 年将增长至 14.1082 亿美元。全球低温电子显微镜市场根据类型、产品类型、组件和应用进行细分。
要了解有关该研究的更多信息，请访问： https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-cryo-electron-microscopy-market
概念简介
使用低温电子显微镜 (cryo-EM) 检查蛋白质组装体、病毒和生物体的分子结构正变得越来越普遍。本页重点介绍低温电子显微镜的几个方面，包括其优点和缺点、应用、它与 EM 技术的区别以及最近利用低温电子显微镜技术的研究。术语“低温电子显微镜”是指一种电磁成像 (EM)，其中使用透射电子显微镜 (TEM) 在低温环境下对辐射敏感的样本进行成像。术语“低温电子显微镜”经常用于指代几种实验技术，包括低温电子断层扫描、电子晶体学和单粒子低温电子显微镜。
每种低温电子显微镜技术都可以单独使用，也可以作为混合方法的一部分使用，这些方法将低温电子显微镜数据与 X 射线晶体学和核磁共振 (NMR) 光谱方法的补充数据相结合。对于包括细菌、冷冻细胞和整个组织切片在内的生物标本的成像，低温电子显微镜正变得越来越普及，操作也变得相当简单。
研究人员目前正在使用低温电子显微镜来辅助癌症研究，推动“结构肿瘤学”学科的发展，该学科旨在利用结构生物学来对抗癌症。低温高分辨率电子显微镜的分析能力有望改变科学家研究肿瘤学的方式，使其能够进行有针对性的观察、分析，并最终实现治疗。
EM 和冷冻电镜
传统电子显微镜程序使用染色、脱水和化学固定标本来生成图像。在电子显微镜中，有机物和电子的相互作用会严重损害生物标本。相比之下，由于低温电子显微镜不需要额外的成像技术，因此可以保留标本的原始水合状态。电子辐照会破坏标本的化学键，从而产生自由基，进一步损坏样品。低电子剂量会产生噪声图像，尽管它们可以通过减少辐射损伤来帮助保存标本。
冷冻电镜可以有效解决这个问题，因为它使用在液氦或液氮温度下保存的冷冻标本进行成像，从而减轻了电子辐射对标本的破坏作用。生物样本在类似玻璃的冰层中迅速玻璃化后，在液氦或液氮温度下拍照。在氮气温度下，辐射损伤大大减少，因此可以使用更大剂量的电子来产生具有良好信噪比的图像。通过冷冻电镜技术，可以在液氮和氦中以近分子水平获得标本的三维 (3D) 重建。但冷冻电镜是如何工作的呢？
-
冷冻- 将样品涂在网格上，然后在液态乙烷中冷冻，并保存在液氮中。样品必须冷冻得足够快，以阻止任何存在的水形成冰晶。冰晶格可能会对材料造成结构损坏，吸收电子束并遮蔽图像。如果样品冷冻得足够快，水会凝固为无定形固体（玻璃冰），不会结晶。
-
记录- 根据物质与电子束的相互作用，可以捕捉到玻璃化冰中悬浮的随机方向的分子（或其他物质，如病毒）的大量副本的图片。使用较新的“直接电子探测器”拍摄的图像质量比以前的数码相机拍摄的图像质量更高。
-
数据处理- 通过将多个分子视角合并为 3D 模型来确定样本的结构。有时数万甚至数十万个粒子图像的平均值构成最终图像或密度图。每秒捕获数十万帧以跟踪粒子的运动并防止分辨率损失。
早期的低温电子显微镜应用受到使用低功率电子束保存样品的限制，导致图像分辨率较低。由于直接电子探测器技术的进步，现在可以用更少的电子创建高分辨率图像。直接电子探测器是一种相机，它通过提高检测电子的能力，可以以每秒数十帧的速度快速捕捉单个分子的照片。更好的图像处理技术的创造也促进了低温电子显微镜的革命。需要这样的算法来确定图片方向并对齐图像，以便从二维图像重建三维图像。技术进步降低了可以冷冻的样品的极限尺寸，从而可以在成像后分析单个蛋白质。
冷冻电镜技术的优势
核磁共振光谱和 X 射线晶体学是较早的结构生物学方法。由于对样本量的要求较高，这些方法的适用性有限。为了进行 X 射线晶体学，必须对样本进行结晶，这是一个具有挑战性的过程，会将环境改变为非生理环境。
低温电子显微镜非常适合以近原子级分辨率对结构进行成像，因为它不需要大量样品或结晶。该方法还允许在标本的自然生理环境中对其进行分析，因为它不会对其进行化学固定或染色。此外，结构可以以各种构象进行快速冷冻，以便推断生物系统，而不受晶体将样品冻结在静态姿势的限制。
目标分子无需结晶，这是低温电子显微镜相对于 X 射线晶体学的一大优势。一些蛋白质或重要的大分子根本无法结晶；而另一些蛋白质的结构会因结晶而发生不可逆的改变。与只能确定单一结构的 X 射线晶体学不同，低温电子显微镜可以看到蛋白质的所有构象。
与传统电子显微镜不同，冷冻电镜样品不会脱水或染色，因此其结构保持接近其原生环境中水合结构的真实形状，不会因染色而产生假形状。冷冻样品可减少电子辐照可能造成的辐射损伤。冷冻样品也不太可能因电子显微镜的低压/真空条件而受损。
冷冻电镜技术的缺点
由于缺乏染色，从而缺乏对比度，图像通常具有非常低的信噪比，因此需要非常先进的检测硬件和图像处理。
样本制备可能很困难，因为必须优化冰厚度和颗粒分布。蛋白质有时会采取优先取向，使得 3D 重建变得不可能。
最先进的低温电子显微镜设备仍然价格高昂。建立集中式设施可能有助于增加低温电子显微镜设备的使用。另一方面，低温电子显微镜对于成像非常小的蛋白质无效，并且需要很长时间才能生成样本图像。此外，该技术需要非常高的样本均匀性，这使得获得柔性蛋白质的高分辨率图像变得复杂。此外，低温电子显微镜的当前分辨率不足以用于药物研发，因为在某些情况下，通过该技术获得的图像信噪比较低。
冷冻电镜技术的最新应用
低温电子显微镜（cryo-EM）使用电子研究在低温下冷冻的样本。在过去五年中，它已成为研究生物样本结构排列的首选技术，有时可以达到近原子分辨率。
根据《自然》杂志去年的一篇文章，低温电子显微镜“在过去三年中震动了结构生物学领域，它们揭示了蛋白质制造核糖体、颤动膜蛋白和其他关键细胞分子的精确细节，领先的期刊正在迅速发表这些发现”。
低温电子显微镜越来越受欢迎，以至于只有病毒和核糖体等特定样本偶尔才会使用 X 射线晶体学进行成像。低温电子显微镜成像现已提供 p97 蛋白结构变化的原子分辨率成像。由于这种蛋白质的结构和相互作用对癌细胞活动至关重要，因此它是癌症药物开发的重要目标。
利用 Cryo-advanced EM 的成像功能，可以观察到 p97 抑制剂结合类型和接触点。本研究的分辨率为 2.3 ngström，单位 ngström 等于 0.1 纳米。随着当前探测器技术和样品制备的进步，cryo-EM 可以进一步提高分辨率。
Data Bridge Market Research 分析，预计到 2029 年，癌症诊断市场将达到 282.1 亿美元的价值，预测期内的复合年增长率为 7.29%。癌症病例的增加为市场提供了增长机会。技术进步是推动市场增长的重要因素，此外，政府和全球卫生组织为传播癌症意识而采取的举措不断增加，私人诊断中心的数量不断增加，公私合作伙伴关系不断增加以增强诊断成像中心的基础设施，FDA 对生物标志物开发的支持不断增加，用于诊断和药物发现的新型流式细胞术试剂的推出不断增加，这些都是推动癌症诊断市场发展的主要因素。
要了解有关该研究的更多信息，请访问： https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-cancer-diagnostics-market
