无损探测技术? 让细胞不再“受伤”

在低分辨率(左)和高分辨率(右)小鼠脑组织中，红外光谱可以区分星形胶质细胞和神经元。资料来源:arispolyozos & lilalovergne

为了观察细胞，研究人员经常不得不“滥用”它:从“家”中提取细胞，将其浸泡在有毒的固定剂中，修饰其DNA，并迫使其产生可能干扰生化特性的异质蛋白质。即使这个细胞能够存活，它也不会是同一个细胞。但是有一天，一束强烈而柔和的光线可能会让研究人员在不伤害细胞的情况下对细胞进行分类，并让它们存活下来，用于其他研究。

由加州劳伦斯柏克莱国家实验室(LBNL)的生物物理学家辛西娅·麦克默里和物理学家迈克尔·马丁领导的团队发现，通过用同步加速器产生的强红外辐射扫描细胞，他们可以捕捉到一种可以揭示细胞特征的生化标记。

研究人员在今年6月于英国举行的一次会议上报告了该方法的初步结果。现在，他们正在通过一项为期一年的陈·扎克伯格倡议(CZI)实验性资助来评估它。如果该方法成功，该团队的光谱表型技术将为CZI支持的另一个项目提供工具，该项目是一个名为“人类细胞图谱”的国际合作项目，旨在绘制人体内每个细胞的类型和位置。如果同步加速器驱动方法适用于其他实验室和医院使用的较软的红外仪器，光谱表型技术有一天可能有助于诊断疾病、检测导致疾病的细胞变化和了解胚胎发育。"我们使用的工具将改变这个领域."麦克默里预言。

熟悉这一未公布结果的科学家表示，这种方法有前景。英国曼彻斯特大学的光谱学家彼得·加德纳说:“我期待看到这项研究的结果。”都柏林理工学院的化学物理学家休·伯恩对该团队如何彻底测试该方法印象深刻。他说，“这是一项证明这项技术潜力的适当研究。”

马丁和麦克默里喜欢将他们的方法与另一种广泛使用的细胞识别技术进行比较:荧光标记。为了刺激特定类型的细胞产生绿色荧光蛋白(GFP)等标记，科学家需要为它们配备相关的分子基因。但是添加脱氧核糖核酸的技术将会改变细胞，因为绿色荧光蛋白对它们来说是外来的——它来自水母，改变细胞的生理功能。此外，麦克默里指出，研究人员通常需要用激光照射荧光标签，使其发光，这可能会损害或杀死细胞。其他技术也有些侵入性。"如果做了标记或染色，细胞的真正化学性质将会改变."马丁说，“我们想探索细胞的化学特性，而不是在做出改变后测量它们。”

这是使用红外光谱的地方。"红外线是非侵入性的，因此它可以用于未受损的组织和活细胞."麦克默里说。当样品暴露于不同波长的红外辐射时，在每个波长带中吸收的红外光的量可以指示其中包含的化学基团的类型。与荧光标记不同，这种吸收模式通常不能揭示细胞是否产生特定的分子，如免疫受体CD4或CD8，后者通常用于定义两种类型的T细胞。然而，细胞的红外光谱特征确实可以揭示广泛的细胞类型，如脂肪和蛋白质，从而提供生化指纹。因此，“你可以得到更全面的细胞图像，”伯恩说。

马丁和麦克默里说，标准的红外光源不能提供他们所需要的灵敏度，所以研究小组转向LBNL的先进光源同步加速器，它能产生世界上最亮的红外光束之一。马丁说:“它能让我们获得更高的分辨率和保真度。”在6月于格拉斯哥举行的SPEC2018会议上，麦克默里和马丁说，他们可以区分老鼠脑切片中的两种脑细胞——神经元和星形胶质细胞。在模拟亨廷顿舞蹈病症状的啮齿类动物脑组织中，它们也能检测到脂肪增加，表明器官退化。将来，研究人员计划通过招募机器学习算法来自动识别细胞，从而选择每种细胞类型的特征。

麦克默里和他的同事仍然需要决定细胞的光谱标记在体内是保持不变还是会随着位置而改变。作为一种潜在的医学用途，他们还想知道当个体细胞的红外标签改变时，个体是否会生病。然而，到目前为止，研究人员只分析了老鼠的组织。"我们想确保这种方法的稳健性."麦克默里说。

新技术有一个明显的局限性。同步系统体积庞大，价格昂贵，而且很少见。他们通常有需要等待数月的研究清单。“你不能把同步加速器带到医院。”加德纳说。但是他指出，实验室设备正在迅速向红外光的强度靠近，红外光可以产生粒子加速器。麦克默里补充说，在使用同步加速器确定各种细胞类型的独特光谱模式后，研究人员计划出版一份目录，允许其他科学家比较他们的样本结果，即使是识别能力低的实验室设备。

加德纳预计该项目会产生一些影响。"他们有工具、技术和专家来加速这项工作."(晋南编)

中国科学新闻(2018-08-22第三版国际版)