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细胞条码完胜荧光标记

两组研究人员分别将微小激光器放置在了活细胞内。这听上去可能有点像蚂蚁侠的下一代武器,但这个“小玩意”将极大提高生物学家追踪单个细胞活动的能力——这可能惠及从发育生物学到癌症研究的诸多领域。

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“这有可能做一些你利用其他技术做不到的事。”英国敦提大学生物物理学家David McGloin说。例如,该激光器能追踪的细胞比荧光标记能追踪的更多,并且比高频ID等萌芽技术更简单易用。剑桥大学神经生物学家Kristian Franze也赞同这一观点。“如果他们能开发出适用于活细胞的此类技术,那对许多人而言将非常有趣。”他说。


要制作一个激光器,你需要两件东西:一种能被激发产生光的材料或“媒介”以及一个回荡着特定波长的光的“共振腔”,就像管风琴会同特有频率的声波共鸣一样。与谐振腔共振的光会刺激该材料发出更多光,极大地放大其效果来创造激光,结果将产生一个能放大光量的反馈回路。


之前,科学家也曾“摆弄”过以细胞为基础的激光器。例如,2011年,美国哈佛大学医学院生物医学家Seok Hyun Yun和现供职于英国圣·安德鲁大学的物理学家Malte Gather,利用工程改造后包含绿色荧光蛋白的单个细胞作为发光媒介,并将其置于一个共振腔内,从而制造了一个激光器。但没有人制出放置在单个细胞内的激光器。


研究小组多年来一直在探索以单细胞为基础的激光,希望在活组织内造出会发荧光的细胞,以便在这些细胞工作时跟踪它们,深入揭示身体内部机制,比如癌症是如何开始的。目前,Gather和Yun正在利用类似技术分别进行研究。


一个困难环节是将腔囊放置在细胞内。Gather和同事将细胞与直径约为5~10微米的塑料球混合,这些小球被掺杂了荧光染料。小珠子充当了空腔,而染料则充当了媒介。细胞经由内吞作用将小球吸入“体内”,这一过程就像免疫细胞吞噬病原体。由于这些球体用荧光染料浸过,所以用一种颜色的光撞击后,它们会发出另一种颜色的光。这种光接着在球体内共振,引发激光作用,并放大自己。重要的是,每一束激光会根据球体的精确尺寸发出12种不同波长的光。相关论文发表在近日出版的《纳米快报》上。这一技术能作用于4类细胞,包括人类巨噬细胞和一种白血细胞。


研究人员指出,这一技术在细胞传感、医疗成像等领域有着广泛应用。“改写传统激光研究领域的知识并在这个平台上展开研究以便将激光性能最优化,将是一件有趣或者说非常激动人心的事情。”Yun表示。


之后,研究人员设计出一种5纳秒的光脉冲激活这些染料。它发射的光能沿球体的中间线运行——通过一种名为全内反射的过程进行约束。特定波长的共振和增加会更强烈,直到珠子发出足够的激光。


Yun和同事Matjaz Humar还设法诱导细胞“吞下”塑料珠子,并且他们制造了两类共振球,相关成果日前在线发表于《自然—光子学》期刊。研究人员利用一个细胞内的脂肪滴或油滴反射和放大光,从而产生激光。Yun和Humar报告说,他们能改变波长,并且利用不同直径的荧光聚苯乙烯微球而不是被注射进去的油滴或脂肪滴标记单个细胞。理论上,利用不同组合的微球和具有不同光谱特性的染料,应当可以使为人体中存在的几乎所有细胞进行单独标记成为可能。


Yun和Gather表示,这些激光器最显著的应用可能将是追踪单个细胞的行动。每个塑料珠子的直径和光学特性都略有不同,因此它们能有效区分波长,充当细胞条形码。Gather和同事用19小时在细胞培养皿中追踪了少量巨噬细胞,而Yun和Humar也进行了类似验证。


由于激光器能在明确的波长上照亮细胞,这让它们比荧光蛋白质标记等其他细胞追踪技术更有优势。包含荧光染料和蛋白的传统荧光探针拥有相对较宽的发射光谱——约30~100纳米。这限制了能被同时使用的探针数量,因为通常很难从组织中天然分子广泛的背景发射中区分出这些发光源。但这种激光器的光谱特性使其能同时追踪数千个微小指向标。研究人员通过为每个细胞装载数个小球将这一数字扩展到数百万或数十亿。然后,每个细胞将以不同的波长组合发射激光。


但这一技术还有很长的路要走。首先,研究人员需要确定不同的细胞类型都能“吞下”小球,尤其是活组织中的细胞。Gather预测,这将不是问题。“我相信该技术是可归纳的。”他说。另外,研发人员必须缩小塑料球的尺寸。Yun承认,现在的小球会将细胞填满。但Yun和Gather已经证实,他们可以用更小的玻璃球代替塑料球。


由于细胞发光可以持续一个较长的周期,可以在较长时间里识别和跟踪活组织内的细胞,有望为研究人员提供一种很有潜力的手段,执行细胞内传感、自适应成像,还可能真正看到肿瘤细胞的生长过程。但科学家指出,目前这一技术还只用在实验室培养的活细胞中,但他们希望进一步研究能带来用于动物实验的细胞跟踪系统,并最终用于人类。“不管怎样,它非常酷!”McGloin说。


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