作者：晉楠發(fā)布日期：2018-08-22
在低分辨率（左）和高分辨率（右）下的小鼠大腦組織中，紅外光譜學(xué)可將星形膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元分辨開來。 圖片來源：ARIS POLYZOS & LILA LOVERGNE
為了觀察細(xì)胞，研究人員經(jīng)常不得不“虐待”它：把它從“家”里揪出來，用有毒的固定液浸泡它，修改它的DNA，強(qiáng)迫它產(chǎn)生可能會(huì)擾亂生物化學(xué)性質(zhì)的異質(zhì)蛋白質(zhì)。即便這個(gè)細(xì)胞能夠存活下來，它永遠(yuǎn)也不可能是原來的那個(gè)細(xì)胞了。但未來有一天，一束強(qiáng)大而溫柔的光線或可讓研究人員在不傷害細(xì)胞并使其存活以用于其他研究的情況下對(duì)其進(jìn)行歸類。
美國(guó)加州勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）生物物理學(xué)家Cynthia McMurray和物理學(xué)家Michael Martin帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過用同步加速器產(chǎn)生的紅外輻射強(qiáng)光掃描細(xì)胞，它們會(huì)捕捉到一種可揭示細(xì)胞特點(diǎn)的生物化學(xué)標(biāo)記。
研究人員在今年6月于英國(guó)舉行的一次會(huì)議上報(bào)告了該方法的初步結(jié)果，現(xiàn)在，他們?cè)谟藐愒瞬癯h（CZI）為期1年的試驗(yàn)撥款對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。如果該方法可以起作用，該團(tuán)隊(duì)的光譜表型技術(shù)將可以為另一個(gè)由CZI支持的項(xiàng)目提供工具，這個(gè)名為“人類細(xì)胞圖集”的國(guó)際合作項(xiàng)目旨在繪制人體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的種類和位置。如果該同步加速器驅(qū)動(dòng)方法適用于其他實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院使用的更加柔和的紅外儀器，那么光譜表型技術(shù)未來有一天或可幫助診斷疾病、探測(cè)導(dǎo)致疾病的細(xì)胞變化并了解胚胎的發(fā)育。“我們使用的工具將會(huì)讓這個(gè)領(lǐng)域煥然一新。”McMurray預(yù)測(cè)。
熟悉這一未發(fā)表成果的科學(xué)家稱該方法具有前景。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)光譜學(xué)家Peter Gardner說：“我很期待看到這項(xiàng)研究的結(jié)果。”都柏林理工學(xué)院化學(xué)物理學(xué)家Hugh Byrne對(duì)該團(tuán)隊(duì)如何徹底測(cè)試該方法印象深刻。他表示，“這是證明該技術(shù)潛力的恰當(dāng)研究”。
Martin和McMurray喜歡把他們的方法與另一種廣泛使用的細(xì)胞鑒別技術(shù)作對(duì)比：熒光標(biāo)記。為了刺激特定種類的細(xì)胞產(chǎn)生諸如綠色熒光蛋白（GFP）的標(biāo)記，科學(xué)家需要給它們裝備相關(guān)分子基因。但加入DNA的技術(shù)會(huì)改變細(xì)胞，因?yàn)镚FP對(duì)它們來說是外來的——來自于一種水母，且會(huì)改變細(xì)胞的生理機(jī)能。此外，McMurray指出，研究人員通常需要用激光照射熒光標(biāo)簽使其發(fā)光，這會(huì)損傷或殺死細(xì)胞。其他技術(shù)也具有一定的侵入性。“如果做標(biāo)記或染色，就會(huì)改變細(xì)胞的真正化學(xué)性質(zhì)。”Martin說，“我們想要探索細(xì)胞的化學(xué)性質(zhì)，而非對(duì)它作出改變后進(jìn)行測(cè)量。”
這正是紅外光譜技術(shù)的用武之地。“紅外線沒有侵入性，因此，它可被用于未受損傷的組織和活體細(xì)胞。”McMurray說。當(dāng)一個(gè)樣本被暴露在不同波長(zhǎng)的紅外輻射下時(shí)，它吸收的每個(gè)波段的紅外光量可以表明其中含有的化學(xué)物質(zhì)群的種類。與熒光標(biāo)記不同，這種吸收模式通常不會(huì)揭示細(xì)胞是否在產(chǎn)生一種特殊分子，例如免疫受體CD4或CD8，它們經(jīng)常被用于界定兩類T細(xì)胞。但細(xì)胞的紅外光譜特征的確可以揭示廣泛的細(xì)胞種類，例如脂肪和蛋白質(zhì)，從而提供生物化學(xué)指紋。因此，“你可以得到更全面的細(xì)胞圖像”，Byrne說。
Martin和McMurray說，標(biāo)準(zhǔn)的紅外來源并不能提供他們所需要的敏感性，因此該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而使用LBNL的先進(jìn)光源同步加速器，其產(chǎn)生的紅外光束是世界上最亮的光束之一。Martin說：“它可以讓我們得到更高的分辨率和保真度。”在6月份于格拉斯哥舉行的SPEC2018會(huì)議上，McMurray和Martin說，它們可以區(qū)別小鼠大腦切片中的兩種腦細(xì)胞——神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞。在模擬亨廷頓氏病癥狀的嚙齒類動(dòng)物腦組織中，它們也能檢測(cè)出表明器官退化的脂肪增多。未來，研究人員計(jì)劃通過征募機(jī)器學(xué)習(xí)算式選出每個(gè)細(xì)胞種類的特征，讓細(xì)胞分辨自動(dòng)化。
McMurray和同事仍然需要決定細(xì)胞的光譜標(biāo)簽是否會(huì)在體內(nèi)保持一致，還是會(huì)隨著位置而變化。作為潛在的醫(yī)療用途，他們還希望了解當(dāng)個(gè)人細(xì)胞的紅外標(biāo)簽發(fā)生改變時(shí)，這個(gè)人是否會(huì)生病。然而，到目前為止，研究人員僅僅分析了小鼠的組織。“我們想要確保這種方法的穩(wěn)健性。”McMurray說。
新技術(shù)有一個(gè)明顯的限制，同步加速器體積龐大、成本高昂，而且十分稀少，它們經(jīng)常有著要等待數(shù)月的研究名單。“你不可能把同步加速器帶進(jìn)醫(yī)院。”Gardner說。但他指出，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備正在迅速向能夠產(chǎn)生粒子加速器的紅外光強(qiáng)度靠攏。McMurray補(bǔ)充說，在使用同步加速器確定各種細(xì)胞類型的獨(dú)特光譜模式后，研究人員計(jì)劃發(fā)布一個(gè)目錄，讓其他科學(xué)家能夠比較自己的樣本結(jié)果，即使是用識(shí)別能力較低的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備得到的結(jié)果。
Gardner期待該項(xiàng)目能有一定影響。“他們有工具、有技術(shù)，還有專家，可以讓這項(xiàng)工作加速推進(jìn)。”（晉楠編譯）
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2018-08-22 第3版 國(guó)際)
來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
