追蹤單個(gè)活細胞 細胞條碼完勝熒光標記

　　兩組研究人員分別將微小激光器放置在了活細胞內。這聽(tīng)上去可能有點(diǎn)像螞蟻俠的下一代武器，但這個(gè)“小玩意”將極大提高生物學(xué)家追蹤單個(gè)細胞活動(dòng)的能力——這可能惠及從發(fā)育生物學(xué)到癌癥研究的諸多領(lǐng)域。

　　“這有可能做一些你利用其他技術(shù)做不到的事�！庇�國敦提大學(xué)生物物理學(xué)家David McGloin說(shuō)。例如，該激光器能追蹤的細胞比熒光標記能追蹤的更多，并且比高頻ID等萌芽技術(shù)更簡(jiǎn)單易用。劍橋大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Kristian Franze也贊同這一觀(guān)點(diǎn)�！叭绻�他們能開(kāi)發(fā)出適用于活細胞的此類(lèi)技術(shù)，那對許多人而言將非常有趣�！彼�說(shuō)。

　　要制作一個(gè)激光器，你需要兩件東西：一種能被激發(fā)產(chǎn)生光的材料或“媒介”以及一個(gè)回蕩著(zhù)特定波長(cháng)的光的“共振腔”，就像管風(fēng)琴會(huì )同特有頻率的聲波共鳴一樣。與諧振腔共振的光會(huì )刺激該材料發(fā)出更多光，極大地放大其效果來(lái)創(chuàng )造激光，結果將產(chǎn)生一個(gè)能放大光量的反饋回路。

　　之前，科學(xué)家也曾“擺弄”過(guò)以細胞為基礎的激光器。例如，2011年，美國哈佛大學(xué)醫學(xué)院生物醫學(xué)家Seok Hyun Yun和現供職于英國圣·安德魯大學(xué)的物理學(xué)家Malte Gather，利用工程改造后包含綠色熒光蛋白的單個(gè)細胞作為發(fā)光媒介，并將其置于一個(gè)共振腔內，從而制造了一個(gè)激光器。但沒(méi)有人制出放置在單個(gè)細胞內的激光器。

　　研究小組多年來(lái)一直在探索以單細胞為基礎的激光，希望在活組織內造出會(huì )發(fā)熒光的細胞，以便在這些細胞工作時(shí)跟蹤它們，深入揭示身體內部機制，比如癌癥是如何開(kāi)始的。目前，Gather和Yun正在利用類(lèi)似技術(shù)分別進(jìn)行研究。

　　一個(gè)困難環(huán)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，這些小球被摻雜了熒光染料。小珠子充當了空腔，而染料則充當了媒介。細胞經(jīng)由內吞作用將小球吸入“體內”，這一過(guò)程就像免疫細胞吞噬病原體。由于這些球體用熒光染料浸過(guò)，所以用一種顏色的光撞擊后，它們會(huì )發(fā)出另一種顏色的光。這種光接著(zhù)在球體內共振，引發(fā)激光作用，并放大自己。重要的是，每一束激光會(huì )根據球體的精確尺寸發(fā)出12種不同波長(cháng)的光。相關(guān)論文發(fā)表在近日出版的《納米快報》上。這一技術(shù)能作用于4類(lèi)細胞，包括人類(lèi)巨噬細胞和一種白血細胞。

　　研究人員指出，這一技術(shù)在細胞傳感、醫療成像等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用�！案膶�(xiě)傳統激光研究領(lǐng)域的知識并在這個(gè)平臺上展開(kāi)研究以便將激光性能最優(yōu)化，將是一件有趣或者說(shuō)非常激動(dòng)人心的事情�！盰un表示。

　　之后，研究人員設計出一種5納秒的光脈沖激活這些染料。它發(fā)射的光能沿球體的中間線(xiàn)運行——通過(guò)一種名為全內反射的過(guò)程進(jìn)行約束。特定波長(cháng)的共振和增加會(huì )更強烈，直到珠子發(fā)出足夠的激光。

　　Yun和同事Matjaz Humar還設法誘導細胞“吞下”塑料珠子，并且他們制造了兩類(lèi)共振球，相關(guān)成果日前在線(xiàn)發(fā)表于《自然—光子學(xué)》期刊。研究人員利用一個(gè)細胞內的脂肪滴或油滴反射和放大光，從而產(chǎn)生激光。Yun和Humar報告說(shuō)，他們能改變波長(cháng)，并且利用不同直徑的熒光聚苯乙烯微球而不是被注射進(jìn)去的油滴或脂肪滴標記單個(gè)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(jìn)行單獨標記成為可能。

　　Yun和Gather表示，這些激光器最顯著(zhù)的應用可能將是追蹤單個(gè)細胞的行動(dòng)。每個(gè)塑料珠子的直徑和光學(xué)特性都略有不同，因此它們能有效區分波長(cháng)，充當細胞條形碼。Gather和同事用19小時(shí)在細胞培養皿中追蹤了少量巨噬細胞，而Yun和Humar也進(jìn)行了類(lèi)似驗證。

　　由于激光器能在明確的波長(cháng)上照亮細胞，這讓它們比熒光蛋白質(zhì)標記等其他細胞追蹤技術(shù)更有優(yōu)勢。包含熒光染料和蛋白的傳統熒光探針擁有相對較寬的發(fā)射光譜---約30～100納米。這限制了能被同時(shí)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(fā)射中區分出這些發(fā)光源。但這種激光器的光譜特性使其能同時(shí)追蹤數千個(gè)微小指向標。研究人員通過(guò)為每個(gè)細胞裝載數個(gè)小球將這一數字擴展到數百萬(wàn)或數十億。然后，每個(gè)細胞將以不同的波長(cháng)組合發(fā)射激光。

　　但這一技術(shù)還有很長(cháng)的路要走。首先，研究人員需要確定不同的細胞類(lèi)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(wèn)題�！拔蚁嘈旁摷夹g(shù)是可歸納的�！彼�說(shuō)。另外，研發(fā)人員必須縮小塑料球的尺寸。Yun承認，現在的小球會(huì )將細胞填滿(mǎn)。但Yun和Gather已經(jīng)證實(shí)，他們可以用更小的玻璃球代替塑料球。

　　由于細胞發(fā)光可以持續一個(gè)較長(cháng)的周期，可以在較長(cháng)時(shí)間里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(cháng)過(guò)程。但科學(xué)家指出，目前這一技術(shù)還只用在實(shí)驗室培養的活細胞中，但他們希望進(jìn)一步研究能帶來(lái)用于動(dòng)物實(shí)驗的細胞跟蹤系統，并最終用于人類(lèi)�！安还茉鯓�，它非�？�!”McGloin說(shuō)。