近日，《Science》雜志上發(fā)表的一則論文引起了各界的關(guān)注。美國(guó)加州理工學(xué)院的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種全新的超聲成像系統(tǒng)。這一技術(shù)沖破了原有成像技術(shù)的桎梏，甚至還能看到腫瘤細(xì)胞基因何時(shí)最為活躍。

DOI: 10.1126/science.aax4804

現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)家總會(huì)想各種辦法去窺看DNA片段，因?yàn)檫@些是解讀細(xì)胞功能的密碼。細(xì)胞不斷地打開(kāi)或關(guān)閉基因從而控制細(xì)胞，科學(xué)家通過(guò)觀察DNA遺傳程序來(lái)了解細(xì)胞的功能。

研究人員通過(guò)編碼細(xì)胞外一種綠色熒光蛋白（GFP）的物質(zhì)來(lái)觀察。顧名思義，它是一種發(fā)出明亮綠色的蛋白質(zhì)。因此，如果研究人員想要更多地了解細(xì)胞是如何變成神經(jīng)元的，他們可以將GFP基因和神經(jīng)元基因一起插入胚胎的DNA中。當(dāng)胚胎細(xì)胞打開(kāi)神經(jīng)元基因時(shí)，它們也會(huì)表達(dá)GFP基因，細(xì)胞會(huì)發(fā)出綠光，這使得研究人員很容易發(fā)現(xiàn)編碼神經(jīng)元形成的基因程序是活躍的。

盡管這項(xiàng)技術(shù)一直有用，但它有一個(gè)很大的局限性：由于光線無(wú)法很好地穿透大多數(shù)生物組織，因此GFP基因無(wú)法用于監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)深層細(xì)胞的活性。

超聲波沖破桎梏觀察基因

為了解決這一難題，加州理工學(xué)院的Mikhail Shapiro提出了新的解決方案。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所化學(xué)工程教授兼研究人員Shapiro帶領(lǐng)研究生Arash Farhadi及其同事開(kāi)發(fā)出了一種新的基因報(bào)告方式。他們使用超聲波觀察遺傳活性，相較于光線，超聲波可以穿透組織深處。這種非侵入性技術(shù)非常擅長(zhǎng)窺探組織。

研究人員已經(jīng)使用超聲波來(lái)檢測(cè)腫瘤中的基因活性

科學(xué)家們從一些水生微生物中得到了靈感：這些微生物會(huì)在體內(nèi)形成一類特殊的蛋白結(jié)構(gòu)，它們就像是氣球一樣，中間充滿了空氣。對(duì)水生微生物而言，這種蛋白結(jié)構(gòu)能給它們提供浮力。而在科學(xué)家的眼中，由于結(jié)構(gòu)中的空氣與細(xì)胞中的水分在性質(zhì)上具有天壤之別，這種蛋白結(jié)構(gòu)足以提供超聲成像所需的分辨率。

為了將編碼氣體囊泡的基因轉(zhuǎn)變?yōu)閳?bào)告基因，Shapiro和Farhadi做了一件從未做過(guò)的事情：將11個(gè)基因用于將充滿氣體的蛋白質(zhì)植入到腸道細(xì)菌中，然后將修飾的微生物注射到小鼠的腸道中。使用小型超聲波探頭動(dòng)物腸道中的細(xì)菌簇。這一過(guò)程充滿了挑戰(zhàn)，因?yàn)榧?xì)菌和哺乳動(dòng)物在其DNA中讀取基因的方式有所不同。

生物讀取“基因密碼”系統(tǒng)不兼容

這一過(guò)程充滿了挑戰(zhàn)，因?yàn)榧?xì)菌和哺乳動(dòng)物在其DNA中讀取基因的方式有所不同。這意味著盡管Shapiro和Farhadi可以將細(xì)菌DNA插入細(xì)胞中，但是這些細(xì)胞不知道如何處理該DNA，這類似于為Apple計(jì)算機(jī)編寫的程序不會(huì)在Windows計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

Farhadi及其同事給出了解決方法。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將幾種細(xì)菌基因與一種病毒中的蛋白質(zhì)縫合在一起，他們可以通過(guò)一個(gè)啟動(dòng)子誘使哺乳動(dòng)物細(xì)胞激活這些基因。插入9種細(xì)菌基因可以在培養(yǎng)皿中誘導(dǎo)人腎細(xì)胞（HEK細(xì)胞）產(chǎn)生氣體球。含有氣體囊泡的細(xì)胞在超聲下出現(xiàn)，而對(duì)照細(xì)胞則沒(méi)有。

超聲圖像顯示基因在小鼠腫瘤的邊緣活躍

為了測(cè)試這些細(xì)胞在動(dòng)物中是否可見(jiàn)，研究人員將這些基因轉(zhuǎn)移到病毒改變的人腎細(xì)胞中，然后將其注入小鼠體內(nèi)。這些細(xì)胞導(dǎo)致腫瘤在嚙齒動(dòng)物中發(fā)芽。當(dāng)研究人員用GFP觀察腫瘤時(shí)，它們顯示為綠色斑點(diǎn)。超聲提供了更精確的圖像，表明只有腫瘤邊緣的細(xì)胞才打開(kāi)產(chǎn)生氣泡的基因。

新技術(shù)還有待完善

多倫多森尼布魯克健康科學(xué)中心的放射腫瘤學(xué)家Gregory Czarnota說(shuō)：“這是一種探測(cè)細(xì)胞中基因表達(dá)的靈巧聲學(xué)方法。”但是科學(xué)家一致認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)還存在一些問(wèn)題，正如加州圣迭戈Salk生物研究所的神經(jīng)科學(xué)家Sreekanth Chalasani所說(shuō)：“這項(xiàng)基因工程很是復(fù)雜，如果有一種更加簡(jiǎn)單的方法來(lái)植入這些基因，我會(huì)更樂(lè)意使用。”

蛋白質(zhì)按一定比例編程到細(xì)菌基因簇中時(shí)，我們必須弄精確這些比例，Shapiro和法哈迪Farhadi說(shuō)，要弄清這一點(diǎn)，還需耗時(shí)數(shù)年的系統(tǒng)過(guò)程。既然他們具有有效的基因，他們說(shuō)他們將能夠使用它們研究腫瘤，免疫細(xì)胞，神經(jīng)元和活生物體中其他細(xì)胞類型中的基因表達(dá)。通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)，他們希望世界各地的生物學(xué)家將使用超聲波探查模型生物，以研究其自然生物學(xué)環(huán)境中的細(xì)胞，并希望醫(yī)生有朝一日可以使用超聲波來(lái)監(jiān)測(cè)患者基于細(xì)胞的療法的命運(yùn)。

參考資料：

[1] Ultrasound can ‘see’ when tumor cells turn genes on and off

[2] Researchers Make it Possible for Ultrasound to Reveal Gene Expression in Body