比翱观察丨声学报告基因：科学家发现了一种利用声音“观察”单个细胞的方法

如果您是一名研究人员，想要了解生物体中少数细胞的行为方式，这绝非易事。人体包含大约37万亿个细胞；在柜台上熟透了的香蕉的周围飞舞的果蝇可能有50000个细胞。即使是秀丽隐杆线虫，一种常用于生物研究的微小蠕虫，也可以有多达3000个细胞。那么，您如何监控所有这些中的几个微观斑点呢？在加州理工学院化学工程教授兼遗产医学研究所研究员Mikhail G. Shapiro实验室工作的科学家们找到了一种方法。图片来源：加州理工学院的/Barth van Rossum 这项新技术利用了所谓的声学报告基因，Shapiro是其中的先驱。要了解声学报告基因，首先要知道报告基因是一段特殊的DNA片段，研究人员可以将其插入到生物体的基因组中，以帮助他们了解它在做什么。历史上，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到他们想要研究的基因旁边— —比如负责神经元发育的基因 —— 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，它们会发光，有点像荧光笔如何标记书中的特定段落。然而，这些荧光报告基因有一个很大的缺点：光线不能很远地穿透活体组织。因此，Shapiro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的基因组时，会导致它产生称为气泡的微小中空蛋白质结构。这些囊泡通常存在于某些种类的细菌中，这些细菌使用它们漂浮在水中，但它们也具有在被超声波撞击时“响起”的有用特性。这个想法是，当产生这些囊泡的细胞用超声波成像时，它会发出一个声波信号，显示它的存在，让研究人员能够看到它在哪里以及它在做什么。在Shapiro实验室之前的工作中，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大大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携带声学报告基因的单个细胞进行成像。
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细胞。图片来源：Caltech/Daniel Sawyer, Shapiro Lab “与之前关于气泡的工作相比，这篇论文使我们能够看到数量更少的这些气泡，”主要作者、Shapiro实验室前生物工程博士生Daniel Sawyer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发出的灯光的卫星。”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，他们的改进表明灵敏度提高了1000多倍。不同之处在于他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囊泡像被敲击的钟声一样响起，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，”Shapiro说。“然后囊泡破裂并停止发出信号。我们正在寻找小光点。”这个光点非常清晰，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。Shapiro说，最近对攻击癌细胞或“肿瘤归巢”细菌的可注射细菌的工程菌株的研究需要更好的方法来跟踪这些细胞以查看它们在体内的位置。研究人员表明，当细菌也被设计为携带气泡基因时，有可能在单个细菌细胞被注射到血液中后进入和穿过肝脏时对其进行追踪。Sawyer说，如果研究人员想使用超声波来研究肠道微生物组的组成，这种灵敏度水平是必要的，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。“你的肠道中有很多种类的细菌，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。使细胞内的囊泡破裂会伤害细胞吗？不，不是真的。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，则对细菌种群没有太大影响。在哺乳动物细胞中，我们没有看到负面影响。”Shapiro和Sawyer正在为他们的研究探索两条道路。一种途径将建立在研究人员已经开发的基础上，以创造更先进的成像技术。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无法容纳的位置的较小囊泡。Sawyer说，另一条途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]等技术共同发展，”Shapiro说。“Danny的论文是这些成像技术的超声模拟发展的一部分。”描述他们研究的论文发表在8月6日的《自然方法》杂志上，题为“Ultrasensitive ultrasound imaging of gene expression with signal unmixing具有信号分离的基因表达的超灵敏超声成像”。可通过原文阅读查看本项研究成果。

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