细胞条码完胜荧光标记

活细胞中的塑料球可以发出激光。资料来源:M. SCHUBERT

两组研究人员分别在活细胞中放置微型激光器。这听起来有点像下一代蚂蚁战士的武器，但这种“小工具”将极大地提高生物学家追踪单个细胞活动的能力——这可能有益于从发育生物学到癌症研究的许多领域。

"用其他技术做不到的事情是可能的."英国邓迪大学的生物物理学家大卫·麦克格雷说。例如，激光可以比荧光标记跟踪更多的细胞，比萌芽技术(如高频识别)更简单、更容易使用。剑桥大学的神经生物学家克里斯蒂安·弗兰茨同意这一观点。“如果他们能为活细胞开发这种技术，对许多人来说将会非常有趣。”他说。

要制造激光，你需要两样东西:一种能被激发产生光的材料或“介质”，以及一个能与特定波长的光共振的“谐振腔”，就像一个器官能与特定频率的声波共振一样。与共振腔共振的光将刺激材料发射更多的光，极大地放大其产生激光的效果，从而产生一个可以放大光量的反馈回路。

此前，科学家们“摆弄”过细胞激光器。例如，2011年，哈佛大学医学院的生物医学科学家Seok Hyun Yun和目前在英国圣安德鲁斯大学工作的物理学家Malte Gather使用含有绿色荧光蛋白的工程单细胞作为发光介质，并将它们放入共振腔中，从而制造出激光器。但是没有人把激光放在一个细胞里。

该研究小组多年来一直在探索基于单细胞的激光，希望在活组织中创造荧光细胞，以便在这些细胞工作时对其进行追踪，并深入揭示身体的内部机制，例如癌症是如何开始的。目前，道集和云正在分别使用类似的技术进行研究。

一个困难的步骤是将内腔放入细胞内。盖特和他的同事将这些细胞与直径约5-10微米的塑料球混合，这些塑料球中掺杂了荧光染料。珠子充当空腔，而染料充当介质。细胞通过内吞作用将颗粒吸入“体内”，这一过程类似于免疫细胞吞噬病原体。由于这些球体已经用荧光染料浸泡过，它们被一种颜色的光照射后会发出另一种颜色的光。这种光随后在球体*振，触发激光动作并放大自身。重要的是，根据球体的确切大小，每束激光束发射12种不同波长的光。相关论文发表在最近出版的《纳米快报》上。这项技术可以应用于4种细胞，包括人类巨噬细胞和白细胞。

研究人员指出，这项技术广泛应用于细胞传感、医学成像等领域。“重写传统激光研究领域的知识并在此平台上开展研究以优化激光性能将是一件有趣或非常令人兴奋的事情。”云说。

之后，研究人员设计了一个5纳秒的光脉冲来激活这些染料。它发出的光能沿着球体的中线传播，受到一个叫做全内反射的过程的约束。共振和特定波长的增加会更强，直到珠子发出足够的激光。

云和他的同事马加兹·胡马尔也成功地诱导细胞“吞下”塑料珠子，他们制造了两种类型的共振球。几天前，相关结果发表在《自然-光子学》杂志的网络版上。研究人员利用细胞中的脂肪或油滴来反射和放大光线，从而产生激光。云和胡玛尔报道说，他们可以改变波长，用不同直径的荧光聚苯乙烯微球来标记单个细胞，而不是注射油或脂肪滴。理论上，应该有可能通过使用具有不同组合的微球和具有不同光谱特征的染料来分别标记人体中几乎所有的细胞。

云和盖奇说，这些激光最重要的应用可能是跟踪单个细胞的活动。每个塑料珠的直径和光学特性略有不同，因此它们可以有效区分波长，并充当细胞条形码。盖奇和他的同事在细胞培养皿中追踪了少量巨噬细胞19个小时，而云和胡玛尔也进行了类似的验证。

因为激光能以特定的波长照射细胞，所以它们比其他细胞追踪技术如荧光蛋白标记更有优势。包含荧光染料和蛋白质的传统荧光探针具有相对宽的发射光谱——大约30-100纳米。这限制了可以同时使用的探针的数量，因为通常很难将这些发光源与组织中天然分子的广泛背景发射区分开。然而，这种激光的光谱特性使它能够同时跟踪数千个微小目标。研究人员通过在每个细胞中装入几个小球，将这个数字扩大到数百万或数十亿。然后，每个细胞将发射不同波长组合的激光。

但是这项技术还有很长的路要走。首先，研究人员需要确保不同类型的细胞能够“吞下”颗粒，尤其是活组织中的细胞。盖奇预测这不会是个问题。“我相信这项技术是可以推广的。”他说。此外，研究人员必须减小塑料球的尺寸。云承认，目前的球会填满细胞。但是云和盖奇已经证实他们可以用更小的玻璃球代替塑料球。

由于细胞发光可以持续很长一段时间，活组织中的细胞可以被识别和跟踪很长一段时间，这有望为研究人员提供一种执行细胞内传感、适应性成像的潜在手段，并且可能实际上看到肿瘤细胞的生长过程。然而，科学家指出，目前这项技术仅用于实验室培养的活细胞，但他们希望进一步的研究能够为动物实验并最终为人类带来细胞跟踪系统。“不管怎样，这很酷！”麦格劳说。(张张)

《中国科学报》(国际版，第三版，2015年8月12日)