據外媒報道，如果你是一名研究人員，想看看一個生物體中的幾個細胞是如何表現的，這不是一項簡單的任務。人體包含大約37萬億個細胞。那麼，你如何在所有這些中監測幾個微小的細胞？在加州理工學院化學工程教授和遺產醫學研究所研究員Mikhail G. Shapiro的實驗室工作的科學家們找到了一種方法。
這項新技術利用了所謂的聲學報告基因，Shapiro一直是該技術的先驅開發者。要了解聲學報告基因，首先要知道報告基因是一個專門的DNA片段，研究人員可以將其插入生物體的基因組中，以幫助他們了解生物體正在做什麼。從歷史上看，報告基因是編碼熒光蛋白的。例如，如果研究人員將這些報告基因中的一個“插入”到他們想要研究的基因旁邊–例如，負責神經元發育的基因–這些神經元基因的激活也將產生熒光蛋白分子。當正確的光線照射在這些細胞上時，它們就會亮起來，有點像熒光筆可以標記書中的特定段落一樣。
不過這些熒光報告基因有一個很大的缺點：光不能很好地穿透活體組織。
因此，Shapiro已經開發了使用聲音而不是光的報告基因。這些基因，當“插入”到一個細胞的基因組中時，會使它產生微小的空心蛋白結構，稱為囊泡。這些囊泡通常存在於某些種類的細菌中，它們利用這些囊泡在水中漂浮，但它們也有一個有用的特性，即在受到超聲波衝擊時”響起”。
這個想法是，當用超聲波對產生這些囊泡的細胞進行成像時，它將發出一個聲學信號，宣布它的存在，使研究人員能夠看到它在哪裡以及它在做什麼。在Shapiro實驗室以前的工作中，這種技術已經被用來顯示細胞中的酶的活性。
在他們最新的論文中，該研究小組描述了它是如何將該技術的靈敏度提高到現在可以對位於身體組織內攜帶聲學報告基因的單細胞進行成像。
“與以前關於囊泡的工作相比，這篇論文使我們能夠看到數量小得多的這些氣體小泡，”主要作者、Shapiro實驗室的前生物工程博士生Daniel Sawyer說。他們的改進代表了比之前他們用於對攜帶聲學報告基因的細胞進行成像的技術的靈敏度增加了1000多倍。差別在於他們使用的超聲波以及氣體囊泡如何對其作出反應。
以前的成像技術依靠囊泡像被敲擊的鐘一樣響起，而新技術使用更強的超聲波，像氣球一樣”彈開”囊泡。Shapiro說：“在那一刻，囊泡產生了一個非常強烈的信號。然後囊泡破裂，停止產生信號。我們正在尋找那個小突起。”
這個小突起是如此清晰，以至於研究人員可以很容易地檢測到它，甚至在超聲波穿透組織產生的所有背景噪音中。Shapiro說，最近關於攻擊癌細胞的可注射細菌的工程菌株，或”腫瘤歸宿”細菌的工作，創造了對追蹤這些細胞的更好方法的需求，以了解它們在身體的哪個部位。研究人員表明，當這些細菌也被設計為攜帶氣囊基因時，就有可能追蹤單個細菌細胞，因為它們在被注入血液後進入並穿過了肝臟。
Sawyer說，如果研究人員想用超聲波來研究腸道微生物組的組成，這種敏感度是必要的，因為腸道微生物組一旦被破壞，會影響阿爾茨海默病和自閉症等疾病。
他說：“你的腸道里有這麼多種類的細菌，而且有些細菌非常罕見，你需要足夠敏感的東西來觀察身體深處的少數細菌。”
彈出細胞內的囊泡會傷害細胞嗎？Sawyer說：“簡短的答案是否定的，長的答案是在大多數實際情況下也是否定的。在某些情況下，非常小的、擁有非常多的這些氣體小泡的單個細菌細胞會受到傷害，但是如果其中幾個細菌變得不那麼有活力，這對細菌群體並沒有什麼影響。而在哺乳動物細胞中，我們沒有看到負面的影響。”
Shapiro和Sawyer正在為他們的研究追求兩條道路。一條道路是在研究人員已經開發的基礎上，創造更先進的成像技術。這將涉及工程和測試具有不同性質的新型囊泡，如更容易彈出的囊泡，或更堅固的囊泡，或更小的囊泡，可以適合較大的囊泡不能進入的地方。另一條道路是為他們開發的技術尋找實際應用。
“在光學顯微鏡領域，有這種光學探針和顯微鏡方法的共同發展，如雙光子顯微鏡和光片顯微鏡[兩者都是熒光顯微鏡的類型]，”Shapiro說。”Daniel 的論文是這些成像技術的超聲類似物發展的一部分。”
描述他們研究的論文——《超敏感的超聲成像與信號解混的基因表達》，與8月6日發表在《自然方法》雜誌上。共同作者包括化學工程專業的訪問學者Avinoam Bar Zion；Arash Farhadi；生物工程專業的研究生Shirin Shivaei；化學工程專業的研究生Bill Ling；以及前加州理工學院的Audrey Lee-Gosselin。