Science大发现：超声波“看”到肿瘤细胞打开了基因...
日期：
2019-09-27
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研究人员已经使用超声波来检测肿瘤中的基因活性，这是用一种较老的荧光技术成像。图片来源：Science
通常，研究活体生物内的细胞过程需要一些方法来可视化细胞功能，例如深层组织中的基因表达。超声波是一种广泛使用的生物医学技术，如观察心脏瓣膜渗漏、肌腱撕裂和子宫内婴儿的早期快照等。它可以实现具有高时空分辨率的无创成像。北京时间9月27日，发表在《Science》上的一项新研究中，来自美国加州理工学院的研究团队证实，超声波还可以测量某些基因在动物中是否打开。这一壮举有朝一日可以帮助科学家探索从肿瘤生长到神经细胞功能的方方面面。没有参与这项研究的加拿大瑞尔森大学的生物医学物理学家Michael Kolios说：“这可能为研究基因调控开辟一条全新的道路。”已知细胞不断地打开和关闭基因。为了了解细胞活性，研究人员可以对它们进行基因修饰，即：当它们激活特定的基因时还可以产生发光的蛋白质，例如绿色荧光蛋白（GFP）。虽然这种方法对培养皿中的细胞效果很好，但来自这些蛋白质的光不会在体内传播很远，因此很难追踪组织和器官内的基因活动。研究通讯作者、加州理工学院化学工程师Mikhail Shapiro说：“超声波通过从人体结构反射高频声波来产生图像，为我们提供了解决方案。这种非侵入性技术在深入观察组织方面真的很棒！”但是单个细胞太小，无法与大多数超声频率区分开。这就是为什么Shapiro和他的团队转向水生细菌的原因。这些水生细菌会产生能反射声波的微小气泡。在细胞内部，气泡增加了反射回设备的声波数量，从而使宿主细胞可被检测到。
超声图像显示基因在小鼠肿瘤边缘是活跃的。图片来源：Science去年，包括Shapiro和生物工程师Arash Farhadi在内的一个团队将11个产生气泡的基因插入肠道细菌中，然后将修饰后的微生物注入小鼠肠道。使用小型超声波探头，科学家们可以精确定位动物肠道中的细菌簇。事实证明，在哺乳动物细胞而非细菌中使用同样的技术会更加困难。细菌基因的功能与动物的不同，因此很难将如此多的细菌基因插入哺乳动物细胞并使它们协同工作。例如，多个细菌基因通常共享一个启动子，即功能类似开关一样的DNA序列，但每个哺乳动物基因都有自己的启动子。Farhadi和Shapiro等人发现了几种变通方法。他们发现，通过将几个细菌基因与来自病毒的蛋白质结合在一起，他们可以诱导哺乳动物细胞使用一个启动子激活基因。插入9个细菌基因可以诱导培养皿中的人肾细胞产生充满气体的蛋白质纳米结构（气泡）表达。含有气泡的细胞产生了超声造影剂，在超声下显现，而对照细胞则没有。为了测试这些细胞在动物体内是否可见，研究人员将这些基因转移到经过病毒改变的人肾细胞中，然后将其注入到小鼠体内。这些细胞导致肿瘤在啮齿动物中萌芽。当研究人员用GFP观察肿瘤时，它们以绿色斑点的形式出现。超声提供了更精确的图像，表明只有肿瘤边缘的细胞才打开产生气泡的基因。Farhadi说：“你可以在动物中看到这种美丽的表达模式。”加拿大多伦多Sunnybrook健康科学中心的放射肿瘤学家Gregory Czarnota说：“这是一种探测细胞中基因表达的灵巧声学方法。”但他和其他科学家一致认为，研究人员需要解决一些问题才能使这项技术广泛应用。例如，Salk生物研究所的神经科学家Sreekanth Chalasani说：“该团队的基因工程方法很复杂，我很想现在使用它，但如果能有更简单的方法来植入这些基因，我会尝试的。”
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