透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)憑借其極高的分辨率(可達亞納米級，0.1-0.2 nm)，能夠揭示生物樣本在超微結(jié)構(gòu)層面的精細形態(tài)，是生命科學(xué)研究中不可或缺的強大工具。它通過穿透樣本的電子束成像，提供細胞、組織、大分子復(fù)合物等的二維投影圖像。

　　一、細胞生物學(xué)與組織學(xué)(Cell Biology & Histology)

　　這是TEM經(jīng)典和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，用于觀察細胞器的精細結(jié)構(gòu)。

　　細胞器結(jié)構(gòu)研究：

　　線粒體：觀察其雙層膜結(jié)構(gòu)、嵴的形態(tài)(板層狀、管狀)、基質(zhì)密度，研究其在能量代謝、凋亡中的變化。

　　內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)：區(qū)分粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(RER，附著核糖體)和光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(SER)，研究其在蛋白質(zhì)合成、脂質(zhì)代謝、鈣離子儲存中的作用。

　　高爾基體：觀察其扁平囊泡堆疊結(jié)構(gòu)，研究蛋白質(zhì)的加工、分選和運輸。

　　溶酶體與自噬體：識別溶酶體(含水解酶的單層膜囊泡)、自噬體(包裹細胞質(zhì)成分的雙層膜結(jié)構(gòu))，研究自噬過程。

　　細胞核：觀察核膜(雙層膜、核孔復(fù)合體)、核仁、染色質(zhì)(常染色質(zhì)、異染色質(zhì))的分布和形態(tài)。

　　細胞骨架：在特定染色(如負染)下，可觀察微管、微絲、中間纖維的排列。

　　細胞連接與細胞外基質(zhì)：

　　觀察緊密連接、間隙連接、橋粒、半橋粒等細胞間連接的超微結(jié)構(gòu)。

　　分析膠原纖維、彈性纖維等細胞外基質(zhì)的排列和形態(tài)。

　　細胞過程動態(tài)觀察：

　　細胞分裂：觀察有絲分裂各期(前期、中期、后期、末期)染色體的行為、紡錘體的形成。

　　細胞凋亡：識別凋亡小體、染色質(zhì)凝聚、核碎裂等特征性形態(tài)。

　　胞吞/胞吐作用：觀察吞噬泡、胞飲泡、分泌顆粒的形成和運輸。

　　二、病毒學(xué)(Virology)

　　TEM是發(fā)現(xiàn)和鑒定新病毒的“金標(biāo)準(zhǔn)”之一，也是研究病毒形態(tài)和復(fù)制周期的核心手段。

　　病毒形態(tài)鑒定：

　　直接觀察病毒顆粒的大小、形狀(球形、桿狀、絲狀、磚形、蝌蚪狀等)、對稱性(二十面體、螺旋對稱)、包膜(有無包膜，包膜上的刺突)。

　　用于病毒分類(如冠狀病毒的“冠狀”刺突、流感病毒的包膜糖蛋白)。

　　病毒復(fù)制周期研究：

　　觀察病毒在宿主細胞內(nèi)的吸附、進入、脫殼、復(fù)制、組裝、釋放等全過程。

　　識別病毒在細胞內(nèi)的復(fù)制工廠(如痘病毒的“病毒工廠”、冠狀病毒的雙層膜囊泡)。

　　病毒與宿主相互作用：

　　研究病毒如何改變宿主細胞結(jié)構(gòu)(如細胞器重排、細胞病變效應(yīng)CPE)。

　　三、神經(jīng)科學(xué)(Neuroscience)

　　TEM在解析神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜連接和突觸結(jié)構(gòu)方面具有不可替代的作用。

　　突觸結(jié)構(gòu)研究：

　　清晰觀察突觸前膜、突觸間隙、突觸后膜。

　　識別突觸小泡(內(nèi)含神經(jīng)遞質(zhì))、突觸后致密區(qū)(PSD)。

　　區(qū)分興奮性突觸(常型)和抑制性突觸(非對稱型)。

　　神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu)：

　　觀察神經(jīng)元胞體、樹突、軸突內(nèi)的細胞器分布。

　　研究髓鞘的形成和結(jié)構(gòu)(少突膠質(zhì)細胞/施萬細胞包裹軸突)。

　　神經(jīng)環(huán)路連接組學(xué)(Connectomics)：

　　通過連續(xù)切片電鏡(Serial Section TEM)技術(shù)，對大腦組織進行連續(xù)超薄切片和成像，然后進行三維重建，繪制神經(jīng)元之間的全腦連接圖譜(如線蟲、果蠅、小鼠部分腦區(qū))。

　　四、結(jié)構(gòu)生物學(xué)(Structural Biology)

　　結(jié)合特定技術(shù)，TEM可用于解析大分子復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。

　　冷凍電鏡(Cryo-EM)：

　　核心技術(shù)：將生物樣本(如病毒、膜蛋白、核糖體、酶復(fù)合物)在液態(tài)乙烷中快速冷凍，形成非晶態(tài)冰(玻璃態(tài)冰)，保持其天然水合狀態(tài)和結(jié)構(gòu)。

　　單顆粒分析(Single Particle Analysis, SPA)：

　　對成千上萬個隨機取向的相同大分子顆粒進行成像。

　　通過計算機圖像處理和三維重構(gòu)，獲得其近原子分辨率(<3 ?)的三維結(jié)構(gòu)。

　　應(yīng)用：解析難以結(jié)晶的膜蛋白(如離子通道、GPCR)、大型復(fù)合物(如核糖體、病毒衣殼、剪接體)的結(jié)構(gòu)，推動了“分辨率革命”。

　　電子斷層掃描(Electron Tomography, ET)：

　　對較厚的樣本(如細胞、細胞器)在不同角度(通?！?0°)進行傾斜成像，然后重構(gòu)出三維體數(shù)據(jù)(tomogram)。

　　應(yīng)用：在細胞原位觀察大分子復(fù)合物的分布和相互作用(如線粒體內(nèi)嵴的三維網(wǎng)絡(luò)、病毒在細胞內(nèi)的三維構(gòu)象)。

　　負染色(Negative Staining)：

　　將樣本吸附在載網(wǎng)上，用重金屬鹽(如磷鎢酸、醋酸鈾)染色。重金屬圍繞樣本，形成“負”對比。

　　優(yōu)點：快速、簡單、對比度高。

　　應(yīng)用：初步觀察病毒、蛋白質(zhì)復(fù)合物、核酸的形態(tài)、大小和均一性，常用于Cryo-EM前的樣品篩選。

　　五、病理學(xué)與醫(yī)學(xué)研究(Pathology & Medical Research)

　　TEM用于診斷某些疑難疾病和研究疾病機制。

　　超微病理診斷：

　　腎小球疾?。河^察腎小球基底膜的厚度、致密層沉積物(如Alport綜合征、薄基底膜腎病)。

　　原發(fā)性纖毛運動障礙：觀察呼吸道或生殖道纖毛的軸絲結(jié)構(gòu)(“9+2”微管排列)是否缺失或異常。

　　代謝性疾病：識別細胞內(nèi)異常沉積物(如溶酶體貯積病中的包涵體)。

　　腫瘤診斷：在某些情況下輔助鑒別腫瘤類型(如識別神經(jīng)內(nèi)分泌顆粒、黑色素小體)。

　　疾病機制研究：

　　研究阿爾茨海默病中淀粉樣斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)的超微結(jié)構(gòu)。

　　觀察帕金森病中路易小體的組成。

　　研究線粒體病中線粒體的形態(tài)異常。

　　六、微生物學(xué)(Microbiology)

　　細菌超微結(jié)構(gòu)：

　　觀察細胞壁(革蘭氏陽性/陰性)、細胞膜、核糖體、擬核、鞭毛、菌毛、莢膜、芽孢等。

　　研究抗生素作用機制(如破壞細胞壁)。

　　古菌研究：觀察其獨特的細胞壁和膜結(jié)構(gòu)。

　　真菌研究：觀察菌絲、孢子的超微結(jié)構(gòu)。

　　七、材料-生物界面研究

　　研究納米材料、生物醫(yī)用材料(如支架、涂層)與細胞、組織的相互作用。

　　觀察材料在生物環(huán)境中的降解、腐蝕，以及細胞對材料的反應(yīng)(如吞噬、炎癥反應(yīng))。