无损探测技术? 让细胞不再“受伤”

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在低分辨率（左）和高分辨率（右）下的小鼠大脑组织中，红外光谱学可将星形胶质细胞与神经元分辨开来。 图片来源：ARIS POLYZOS & LILA LOVERGNE

为了观察细胞，研究人员经常不得不“虐待”它：把它从“家”里揪出来，用有毒的固定液浸泡它，修改它的DNA，强迫它产生可能会扰乱生物化学性质的异质蛋白质。即便这个细胞能够存活下来，它永远也不可能是原来的那个细胞了。但未来有一天，一束强大而温柔的光线或可让研究人员在不伤害细胞并使其存活以用于其他研究的情况下对其进行归类。

美国加州劳伦斯·伯克利国家实验室（LBNL）生物物理学家Cynthia McMurray和物理学家Michael Martin带领的一个团队发现，通过用同步加速器产生的红外辐射强光扫描细胞，它们会捕捉到一种可揭示细胞特点的生物化学标记。

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，他们在用陈扎克伯格倡议（CZI）为期1年的试验拨款对其进行评估。如果该方法可以起作用，该团队的光谱表型技术将可以为另一个由CZI支持的项目提供工具，这个名为“人类细胞图集”的国际合作项目旨在绘制人体内每个细胞的种类和位置。如果该同步加速器驱动方法适用于其他实验室和医院使用的更加柔和的红外仪器，那么光谱表型技术未来有一天或可帮助诊断疾病、探测导致疾病的细胞变化并了解胚胎的发育。“我们使用的工具将会让这个领域焕然一新。”McMurray预测。

熟悉这一未发表成果的科学家称该方法具有前景。英国曼彻斯特大学光谱学家Peter Gardner说：“我很期待看到这项研究的结果。”都柏林理工学院化学物理学家Hugh Byrne对该团队如何彻底测试该方法印象深刻。他表示，“这是证明该技术潜力的恰当研究”。

Martin和McMurray喜欢把他们的方法与另一种广泛使用的细胞鉴别技术作对比：荧光标记。为了刺激特定种类的细胞产生诸如绿色荧光蛋白（GFP）的标记，科学家需要给它们装备相关分子基因。但加入DNA的技术会改变细胞，因为GFP对它们来说是外来的——来自于一种水母，且会改变细胞的生理机能。此外，McMurray指出，研究人员通常需要用激光照射荧光标签使其发光，这会损伤或杀死细胞。其他技术也具有一定的侵入性。“如果做标记或染色，就会改变细胞的真正化学性质。”Martin说，“我们想要探索细胞的化学性质，而非对它作出改变后进行测量。”

这正是红外光谱技术的用武之地。“红外线没有侵入性，因此，它可被用于未受损伤的组织和活体细胞。”McMurray说。当一个样本被暴露在不同波长的红外辐射下时，它吸收的每个波段的红外光量可以表明其中含有的化学物质群的种类。与荧光标记不同，这种吸收模式通常不会揭示细胞是否在产生一种特殊分子，例如免疫受体CD4或CD8，它们经常被用于界定两类T细胞。但细胞的红外光谱特征的确可以揭示广泛的细胞种类，例如脂肪和蛋白质，从而提供生物化学指纹。因此，“你可以得到更全面的细胞图像”，Byrne说。

Martin和McMurray说，标准的红外来源并不能提供他们所需要的敏感性，因此该团队转而使用LBNL的先进光源同步加速器，其产生的红外光束是世界上最亮的光束之一。Martin说：“它可以让我们得到更高的分辨率和保真度。”在6月份于格拉斯哥举行的SPEC2018会议上，McMurray和Martin说，它们可以区别小鼠大脑切片中的两种脑细胞——神经元和星形胶质细胞。在模拟亨廷顿氏病症状的啮齿类动物脑组织中，它们也能检测出表明器官退化的脂肪增多。未来，研究人员计划通过征募机器学习算式选出每个细胞种类的特征，让细胞分辨自动化。

McMurray和同事仍然需要决定细胞的光谱标签是否会在体内保持一致，还是会随着位置而变化。作为潜在的医疗用途，他们还希望了解当个人细胞的红外标签发生改变时，这个人是否会生病。然而，到目前为止，研究人员仅仅分析了小鼠的组织。“我们想要确保这种方法的稳健性。”McMurray说。

新技术有一个明显的限制，同步加速器体积庞大、成本高昂，而且十分稀少，它们经常有着要等待数月的研究名单。“你不可能把同步加速器带进医院。”Gardner说。但他指出，实验室设备正在迅速向能够产生粒子加速器的红外光强度靠拢。McMurray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，研究人员计划发布一个目录，让其他科学家能够比较自己的样本结果，即使是用识别能力较低的实验室设备得到的结果。

Gardner期待该项目能有一定影响。“他们有工具、有技术，还有专家，可以让这项工作加速推进。”（晋楠编译）

《中国科学报》 (2018-08-22 第3版 国际)