透射电子显微镜在医学院校中的实际应用及教学思考

[摘要] 透射电子显微镜是超大型的精密仪器，目前在材料科学、基础医学、临床医学等领域被广泛应用。通过介绍透射电子显微镜的发展历程和透射电子显微镜在医学院校中的实际应用，并结合湖北医药学院实际情况，对透射电子显微镜教学进行思考，以使医学院校学生能更加理解学习透射电子显微镜技术的重要性，并提高学习兴趣和学习积极性。

[关键词] 透射电子显微镜;医学院校;应用;教学思考

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2022）31-0142-03

一、透射电子显微镜的发展历程

（一）电子显微镜发明的背景

在生命科学的发展过程中，人类是从宏观到微观不断深入对机体的认识的，为了满足人类对生命个体的研究需求，应运而生了光学显微镜，放大倍数和分辨率也一直在改善和提高，但受制于“阿贝极限”，光学显微镜的分辨率始终无法突破200纳米。为了绕开“阿贝极限”，取得比200纳米更高的分辨率，科学家们开始另辟蹊径，并在1931年研制出世界上第一台透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM），这是20世纪最重要的发明之一，为生命科学的迅速发展创造了条件。

（二）透射电子显微镜的发展

目前，电子显微镜大致分为三类，包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜和分析电子显微镜。其中，透射电子显微镜又可细分成五类，分别为超高压电子显微镜、高压电子显微镜、高分辨率电子显微镜、普及型电子显微镜和简易型电子显微镜。透射电子显微镜在医学科学领域应用非常广泛，不同于光学显微镜以光束作为光源，它采用电子束作为光源，放大的原理是当电子束通过电子磁透镜时，由于电磁场的作用使电子改变其运动方向而汇聚在一点，然后发散，并通过接收透过样品的电子所产生的物理信号，从而把物体的微细结构放大成像，在生物医学电子显微科学领域，主要用透射电子显微镜观察组织细胞的内部结构。

二、透射电子显微镜在医学院校的应用

由于透射电子显微镜价格昂贵、操作复杂、数量稀少等原因，学生大多只能在课堂上学习一些理论知识，而没有机会自己动手实际操作，因而对透射电子显微镜的学习兴趣大打折扣，对它的了解也仅限于初级理论，对它的学习重要性也不能充分理解。我校于2021年初购入一台日立HT7800透射电子显微镜，目前主要应用于研究生教学和科研工作。下面简要介绍一下目前透射电子显微镜在医学院校中的应用。

（一）透射电子显微镜对纳米药物研究的应用

透射电子显微镜具有放大倍数高、分辨率高等特点，在材料科学领域和药剂学纳米药物的研究方面被广泛应用。对于纳米药物的形貌特点、粒径等能够做出准确、直观的观察和测量，对于药物研发和纳米药物的合成研究有很大的帮助。谷峙樾等通过透射电子显微镜对碳酸钙复合载药纳米粒的形貌观察，研究碳酸钙复合载药纳米粒制备的最佳条件，使其物理性质稳定，空腔壁薄厚适中利于载药，纳米粒径较小利于其在体内代谢[1]。图尔荪阿依·图尔贡等通过透射电子显微镜对纳米金进行粒径观察和分析，并找到最佳的制备条件，通过在制备过程的反应体系中加入细菌素作为纳米金的帽子试剂，增强纳米金粒子的稳定性，增强其穿透性以发挥抑菌作用[2]。王金悦等利用透射电子显微镜对染色后的七叶皂苷钠固体脂质纳米粒进行直观的观察，以找到最佳的制备方法[3]。透射电子显微镜可以直观地观察各种条件下纳米药物的合成情况，并且制样方法简单、快速，可以为科研人员快速提供直观的电镜图片，帮助其及时更改合成条件，以得到符合预期的纳米药物。

（二）透射电子显微镜对实验动物和人体组织样品超微结构研究的应用

医学院校各科研人员在对生命科学的研究中会经常使用实验动物进行各项实验观察和研究，还会根据实验研究目的对相关的器官、组织等进行取材，而透射电子显微镜能够直观地观察动物和人体组织样品的超微结构如细胞连接、各种细胞器、纤毛、微绒毛等，能对各种疾病动物模型和临床病人的病情判断起到关键性作用。常志尚等利用透射电子显微镜观察糖尿病大鼠模型回肠组织，发现糖尿病大鼠回肠上皮细胞连接超微结构出现异常增宽，直观地了解糖尿病大鼠肠黏膜机械屏障的功能状态[4]。章枭等通过透射电子显微镜观察肝癌患者术后标本组织中溶酶体形态和数量的变化，发现溶酶体在肝癌患者术后标本组织中形态无明显异常变化，但是其数量在癌旁和癌灶样本中明显增多[5]。刘凯等通过透射电子显微镜对多发性骨髓瘤小鼠模型瘤组织超微结构的观察发现，龙葵总碱通过促进骨髓瘤细胞的自噬促进瘤细胞的凋亡从而发挥抑瘤作用[6]。邢敏等利用透射电子显微镜观察APP/PS1转基因小鼠海马组织，发现其与野生组相比，海马区神经细胞内线粒体大小不一，部分固缩，自噬溶酶体数量增多，内容物含脂滴样成分，神经元出现退行性变化，数量减少;星形胶质细胞活化、肿胀，细胞基质变浅，可见自噬泡以及营养障碍性突触，可能是APP/PS1转基因小鼠记忆力减退的原因，由此来模拟阿尔茨海默病病理模型，为研究阿尔茨海默病提供小鼠模型[7]。梁萍等利用透射电子显微镜对急性脑缺血/再灌注损伤大鼠脑组织星形胶质细胞的超微结构进行观察，发现三七可以减轻脑缺血引起的细胞超微结构损伤，细胞周围无明显水肿，细胞核无明显皱缩，细胞器尚清晰可见[8]。周晨明等通过透射电子显微镜对原发性纤毛不动综合症患者和正常人的支气管黏膜活检标本的超微结构进行观察，发现原发性纤毛不动综合症患者的纤毛结构出现异常[9]。

（三）透射电子显微镜对培养细胞、细菌样品超微结构研究的应用

透射电子显微镜能够对培养细胞样品的超微结构如细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体以及自噬体等作直观的观察;对培养细菌样品超微结构的观察具有非常大的优势，对细菌细胞壁、细菌的分裂可直观观察，而通过负染的细菌样品能够直观观察细菌菌毛、鞭毛等结构。王雪林等通过黄嘌呤氧化酶诱导肺癌A549细胞建立细胞自噬模型，再利用3-甲基腺嘌呤和不同浓度的黄芪多糖进行干预，用透射电子显微镜对模型组和干预组细胞的超微结构进行观察发现，黄芪多糖可能是通过抑制细胞自噬发挥抗肿瘤作用[10]。张晨等用透射电子显微镜对两株对万古霉素敏感性减低的金黄色葡萄球菌的超微结构观察，发现可能是这两株金黄色葡萄球菌的细胞壁增厚导致其对万古霉素的敏感性减低[11]。

（四）透射电子显微镜对外泌体、病毒等超微粒子样品超微结构研究的应用

外泌体含有丰富的生物标志物，在细胞的信息传递中扮演重要角色，是目前生物学研究的热门领域。透射电子显微镜能够直观观察细胞外囊泡如外泌体等。根据国际细胞外囊泡协会2014年发表的一个指导手册（MISEV），透射电子显微镜是观察样品中细胞外囊泡的形态特征和鉴定外泌体的基本方法之一。通过负染色的方式使外泌体在透射电子显微镜下显色，从而对外泌体进行鉴定，并观察外泌体的形态。朱艳等利用透射电子显微镜对外泌体负染色效果进行研究，发现醋酸双氧铀对外泌体的负染色效果最好[12]。陈晶等利用透射电子显微镜对原代培养的大鼠脂肪干细胞来源的外泌体进行鉴定，用于后续对糖尿病肾病的研究[13]。透射电子显微镜能够直观地观察病毒的形态，郑夔等通过透射电子显微镜对广州本地感染的COVID-19确诊病例采集的咽拭子样本分离出的新型冠状病毒进行鉴定，观察到细胞外游离病毒颗粒以及细胞质囊泡内充满病毒颗粒的包涵体，对新型冠状病毒性肺炎的研究起到重要作用[14]。

三、透射电子显微镜的教学思考

透射电子显微镜对于医学生来说是非常实用和常用的一种电子光学仪器，但是目前医学生的教学课程中对它的介绍非常少，结合我校实际，我校的透射电子显微镜课程主要设置在研究生的现代仪器分析课程中进行教学，但是课时少，理论课仅2课时，实操课2课时，想要真正理解并掌握其理论和使用方法，对于透射电子显微镜这种大型仪器来说是远远不够的。特别是实操培训课，仅只有老师做演示，一大群学生围在老师和仪器周边，可能根本看不清楚操作流程，更别说是自己动手上机操作了。当然，这与我校透射电子显微镜起步较晚、数量稀少、设备价格昂贵、需专人维护保养等有直接关系。结合本校的教学实际和基本情况，本人有几点教学建议。

（一）课前发放学习资料

在上理论课之前，先向学生发放详细的学习资料，可以是电子资料或者纸质资料，并向学生推荐需通过图书馆借阅等方式自行阅读的相关参考书目。学习内容主要包括电子显微镜的分类、基本构造及原理等基础知识，结合我校实际情况，重点介绍各种样品的取材方法，让学生熟悉相关理论知识，并能在平时实验中多次练习，熟练操作方法，这样，如需送检电镜样本，便能大大提高成功率。

（二）线上视频课程的学习

学院组织拍摄透射电子显微镜操作线上视频课程，我校目前已全面实现现代仪器分析课程线上视频教学，结合课后练习题掌握透射电子显微镜操作中的重点、难点，学生可以根据自己的时间安排在线上反复观看学习，完成课后练习题和期末测试题。结合已经发放到手边的相关学习资料，更快速、更直观地熟悉透射电子显微镜各部分每个按键及软件界面的各种功能，在线下教学上机实操过程中能提高学习效率，十分快速地掌握操作方法。

（三）线下理论课程的教学

在线下理论课授课过程中，重点讲解透射电子显微镜的成像原理，深入浅出地介绍透射电子显微镜的电子光学系统、真空系统、电子学系统等，使每位学生初步了解透射电子显微镜及各部分的功能特点，理解透射电子显微镜相关操作的理论依据。在期末理论知识测验中，对相关重点知识进行复习考核。

（四）实操培训对学生分组教学

将选择现代仪器分析课程的学生按照每小组4人分成若干个小组，组织线下学习透射电子显微镜的上机操作方法。一次线下教学只针对一个小组成员，让小组中的每一位成员在熟悉理论的基础上能够实际操作一遍，做到人人参与。针对学生多，分组数量大，而电镜又没有相对集中的空闲机时的问题，可以根据电镜的使用机时情况，灵活安排实操课程的上课时间。

（五）将平时的分析测试任务和线下教学结合起来

对透射电子显微镜感兴趣的学生和有电镜相关科研任务的学生可以通过与电镜管理专任教师进行预约，利用自己的碎片时间，在教师利用透射电子显微镜进行分析测试时进行观摩学习，直观地学习电镜图片的拍摄方法和电镜图片的观察分析方法。

四、结语

透射电子显微镜是我们医学相关科研工作者观察超微结构的有力工具，我们要利用它对生命科学做更深入的研究和探索。目前，透射电子显微镜应用日益广泛，但由于我校购入透射电子显微镜时间不长，开展相关的教学和科研的时间也很有限，在透射电子显微镜的教学和科研方面还有许多需要学习和改进的地方。我们作为仪器管理人员还需努力根据学校科研进展的需要，学习植物和病毒的制样和电镜观察，为药用植物的研究和即将建成的P3实验室的科研工作打好基础，加强人才培养和实验室建设，更好地服务于医学教学和科研工作。

参考文献：

[1]谷峙樾，雷宇，赵健辉，等.碳酸钙复合载药纳米粒的制备与表征[J].中国医药科学，2019，9（21）：35-38，66.

[2]图尔荪阿依·图尔贡，王帆，葛达娥，等.细菌素：纳米金壳核结构的形成和特性表征[J].中国食品学报，2021（3）：217-222.