細胞條碼完勝螢光標記—新聞—科學網

2020-12-06 科學網
細胞條碼完勝螢光標記
內嵌雷射器使追蹤單個活細胞成為可能

 

活細胞中的塑料球能發出雷射。圖片來源：M. SCHUBERT

兩組研究人員分別將微小雷射器放置在了活細胞內。這聽上去可能有點像螞蟻俠的下一代武器，但這個「小玩意」將極大提高生物學家追蹤單個細胞活動的能力——這可能惠及從發育生物學到癌症研究的諸多領域。

「這有可能做一些你利用其他技術做不到的事。」英國敦提大學生物物理學家David McGloin說。例如，該雷射器能追蹤的細胞比螢光標記能追蹤的更多，並且比高頻ID等萌芽技術更簡單易用。劍橋大學神經生物學家Kristian Franze也贊同這一觀點。「如果他們能開發出適用於活細胞的此類技術，那對許多人而言將非常有趣。」他說。

要製作一個雷射器，你需要兩件東西：一種能被激發產生光的材料或「媒介」以及一個迴蕩著特定波長的光的「共振腔」，就像管風琴會同特有頻率的聲波共鳴一樣。與諧振腔共振的光會刺激該材料發出更多光，極大地放大其效果來創造雷射，結果將產生一個能放大光量的反饋迴路。

之前，科學家也曾「擺弄」過以細胞為基礎的雷射器。例如，2011年，美國哈佛大學醫學院生物醫學家Seok Hyun Yun和現供職於英國聖·安德魯大學的物理學家Malte Gather，利用工程改造後包含綠色螢光蛋白的單個細胞作為發光媒介，並將其置於一個共振腔內，從而製造了一個雷射器。但沒有人制出放置在單個細胞內的雷射器。

研究小組多年來一直在探索以單細胞為基礎的雷射，希望在活組織內造出會發螢光的細胞，以便在這些細胞工作時跟蹤它們，深入揭示身體內部機制，比如癌症是如何開始的。目前，Gather和Yun正在利用類似技術分別進行研究。

一個困難環節是將腔囊放置在細胞內。Gather和同事將細胞與直徑約為5~10微米的塑料球混合，這些小球被摻雜了螢光染料。小珠子充當了空腔，而染料則充當了媒介。細胞經由內吞作用將小球吸入「體內」，這一過程就像免疫細胞吞噬病原體。由於這些球體用螢光染料浸過，所以用一種顏色的光撞擊後，它們會發出另一種顏色的光。這種光接著在球體內共振，引發雷射作用，並放大自己。重要的是，每一束雷射會根據球體的精確尺寸發出12種不同波長的光。相關論文發表在近日出版的《納米快報》上。這一技術能作用於4類細胞，包括人類巨噬細胞和一種白血細胞。

研究人員指出，這一技術在細胞傳感、醫療成像等領域有著廣泛應用。「改寫傳統雷射研究領域的知識並在這個平臺上展開研究以便將雷射性能最優化，將是一件有趣或者說非常激動人心的事情。」Yun表示。

之後，研究人員設計出一種5納秒的光脈衝激活這些染料。它發射的光能沿球體的中間線運行——通過一種名為全內反射的過程進行約束。特定波長的共振和增加會更強烈，直到珠子發出足夠的雷射。

Yun和同事Matjaz Humar還設法誘導細胞「吞下」塑料珠子，並且他們製造了兩類共振球，相關成果日前在線發表於《自然—光子學》期刊。研究人員利用一個細胞內的脂肪滴或油滴反射和放大光，從而產生雷射。Yun和Humar報告說，他們能改變波長，並且利用不同直徑的螢光聚苯乙烯微球而不是被注射進去的油滴或脂肪滴標記單個細胞。理論上，利用不同組合的微球和具有不同光譜特性的染料，應當可以使為人體中存在的幾乎所有細胞進行單獨標記成為可能。

Yun和Gather表示，這些雷射器最顯著的應用可能將是追蹤單個細胞的行動。每個塑料珠子的直徑和光學特性都略有不同，因此它們能有效區分波長，充當細胞條形碼。Gather和同事用19小時在細胞培養皿中追蹤了少量巨噬細胞，而Yun和Humar也進行了類似驗證。

由於雷射器能在明確的波長上照亮細胞，這讓它們比螢光蛋白質標記等其他細胞追蹤技術更有優勢。包含螢光染料和蛋白的傳統螢光探針擁有相對較寬的發射光譜——約30～100納米。這限制了能被同時使用的探針數量，因為通常很難從組織中天然分子廣泛的背景發射中區分出這些發光源。但這種雷射器的光譜特性使其能同時追蹤數千個微小指向標。研究人員通過為每個細胞裝載數個小球將這一數字擴展到數百萬或數十億。然後，每個細胞將以不同的波長組合發射雷射。

但這一技術還有很長的路要走。首先，研究人員需要確定不同的細胞類型都能「吞下」小球，尤其是活組織中的細胞。Gather預測，這將不是問題。「我相信該技術是可歸納的。」他說。另外，研發人員必須縮小塑料球的尺寸。Yun承認，現在的小球會將細胞填滿。但Yun和Gather已經證實，他們可以用更小的玻璃球代替塑料球。

由於細胞發光可以持續一個較長的周期，可以在較長時間裡識別和跟蹤活組織內的細胞，有望為研究人員提供一種很有潛力的手段，執行細胞內傳感、自適應成像，還可能真正看到腫瘤細胞的生長過程。但科學家指出，目前這一技術還只用在實驗室培養的活細胞中，但他們希望進一步研究能帶來用於動物實驗的細胞跟蹤系統，並最終用於人類。「不管怎樣，它非常酷！」McGloin說。（張章）

《中國科學報》 (2015-08-12 第3版 國際)

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