科学家们找到了一种利用声音看到单细胞的方法
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来源：加州理工学院的 Barth van Rossum
如果您是一名研究人员，想了解生物体中的几个细胞的行为方式，这绝非易事。人体包含大约 37 万亿个细胞；在你柜台上熟透的香蕉周围飞来飞去的果蝇可能有 50,000 个细胞。即使是秀丽隐杆线虫，一种常用于生物学研究的微小蠕虫，也可以拥有多达 3,000 个细胞。那么，您如何在所有这些中监控几个微观斑点？
在加州理工学院化学工程教授和传统医学研究所研究员 Mikhail G. Shapiro 实验室工作的科学家们找到了一种方法。
这项新技术利用了所谓的声学报告基因，夏皮罗一直是其中的先驱开发者。要了解声学报告基因，首先要知道报告基因是一段专门的DNA片段，研究人员可以将其插入生物体的基因组中，以帮助他们了解它在做什么。从历史上看，报告基因编码荧光蛋白。例如，如果研究人员将其中一个报告基因插入他们想要研究的基因（例如负责神经元发育的基因）旁边，这些神经元基因的激活也会产生荧光蛋白分子。当正确的光线照射在这些细胞上时，它们会亮起，就像荧光笔可以标记书中的特定段落一样。
然而，这些荧光报告基因有一个很大的缺点：光不能穿透活组织很远。
因此，夏皮罗开发了使用声音而不是光的报告基因。当这些基因插入细胞基因组时，会导致细胞产生称为气泡的微观中空蛋白质结构。这些囊泡通常存在于某些种类的细菌中，这些细菌利用它们在水中漂浮，但当它们被超声波击中时，它们也具有“振铃”的有用特性。
这个想法是，当用超声波对产生这些囊泡的细胞进行成像时，它会发出一个声学信号，宣布它的存在，让研究人员能够看到它在哪里以及它在做什么。在夏皮罗实验室以前的工作中，这项技术已被用于显示细胞中酶的活性。
在他们最新的论文中，研究小组描述了它如何极大地提高了该技术的灵敏度，以至于它现在可以对位于身体组织内的单个细胞进行成像，该细胞带有一个声学报告基因。
Mikhail Shapiro 实验室开发的一种新成像技术突出了穿过小鼠肝脏的单个细胞。图片来源：加州理工学院/Daniel Sawyer，夏皮罗实验室
“与之前关于气体囊泡的工作相比，这篇论文让我们看到的这些气体囊泡的数量要少得多，”主要作者、夏皮罗实验室的前生物工程博士生 Daniel Sawyer (PhD '21) 说。“这就像从可以看到小镇灯光的卫星变成可以看到单个灯柱的光的卫星。”
与之前用于对携带声学报告基因的细胞进行成像的技术相比，他们的改进意味着灵敏度提高了 1000 多倍。不同之处在于它们使用的超声波以及气泡如何对其做出反应。
以前的成像技术依赖于像被敲响的钟一样响起的囊泡，而新技术使用更强的超声波，像气球一样“弹出”囊泡。
“囊泡在那一刻产生了非常强烈的信号，”夏皮罗说。“然后囊泡破裂并停止发出信号。我们正在寻找那个小亮点。”
这个信号非常清晰，研究人员可以很容易地检测到它，即使在超声波穿透组织产生的所有背景噪音中也是如此。夏皮罗说，最近对攻击癌细胞或“肿瘤归巢”细菌的可注射细菌工程菌株的研究需要更好的方法来追踪这些细胞，以了解它们在体内的位置。研究人员表明，当细菌也被设计为携带气体囊泡基因时，有可能在单个细菌细胞进入并在注入血液后穿过肝脏时对其进行跟踪。
Sawyer 说，如果研究人员想要使用超声波来研究肠道微生物组的组成，那么这种水平的灵敏度是必要的，当肠道微生物组被破坏时，会影响阿尔茨海默病和自闭症等疾病。
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“你的肠道里有很多种类的细菌，有些非常罕见，你需要足够敏感的东西才能看到体内深处的少数细菌，”他说。
爆破细胞内的囊泡会伤害细胞吗？不，不是。
“简短的答案是否定的，而在大多数实际情况下，长答案是否定的，”Sawyer 说。“在某些情况下，单个细菌细胞非常小并且具有非常大量的这些气泡，但如果其中一些变得不那么可行，它对细菌种群的影响并不大。在哺乳动物细胞中，我们没有看到负面影响。”
Shapiro 和 Sawyer 正在为他们未来的研究探索两条道路。一条路径将建立在研究人员已经开发的基础上，以创建更先进的成像技术。这将涉及设计和测试具有不同特性的新型囊泡，例如更容易爆裂的囊泡，或者更坚固的囊泡，或者可以放入较大囊泡不能进入的位置的较小囊泡。Sawyer 说，另一条路径是为他们开发的技术寻找实际应用。
“在光学显微镜领域，光学探针和显微镜方法与双光子显微镜和光片显微镜[两者都是荧光显微镜的类型]等技术共同进化，”夏皮罗说。“丹尼的论文是这些成像技术的超声类似物发展的一部分。”
描述他们研究的论文发表在 8 月 6 日的Nature Methods杂志上，题为“具有信号分离的基因表达的超灵敏超声成像” 。合著者包括化学工程访问者 Avinoam Bar Zion；阿拉什·法哈迪 (PhD '20); 生物工程研究生 Shirin Shivaei；化学工程研究生Bill Ling；和前加州理工学院的 Audrey Lee-Gosselin。
参考文献：
Daniel P. Sawyer、Avinoam Bar-Zion、Arash Farhadi、Shirin Shivaei、Bill Ling、Audrey Lee-Gosselin 和 Mikhail G. Shapiro 撰写的“具有信号分离的基因表达的超灵敏超声成像”，2021 年 8 月 5 日，Nature Methods。
DOI: 10.1038/s41592-021-01229-w
该研究的资金由美国国立卫生研究院提供。
米哈伊尔夏皮罗是天桥和克丽丝陈神经科学研究所的附属教员。