强大的红外光束可以探测细胞,诊断疾病

强大的红外光束可以探测细胞,诊断疾病

在小鼠脑组织中,在较低(左)和较高放大倍数(右)看,红外光谱可以区分星形胶质细胞(红色)和神经元(绿色)。

ARIS POLYZOS&LILA LOVERGNE
强大的红外光束可以探测细胞,诊断疾病

为了识别细胞,研究人员经常不得不滥用它 - 将其从家中扯下来,用有毒的固定剂将其剔除,篡改其DNA,或强迫它制造可能破坏其生物化学的外来蛋白质。 即使细胞存活,它也可能再也不会相同。 但是,强大而温和的光束有朝一日可以让研究人员对细胞进行分类,同时让它们不受伤害并活着进行额外的研究。

由加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的生物物理学家Cynthia McMurray和物理学家Michael Martin领导的研究小组发现,通过用同步加速器(一种粒子加速器)产生的强烈红外辐射束扫描细胞,他们可以捕获生化标志,揭示细胞的身份。

研究人员在6月份的英国会议上提出了该方法的早期结果,现在他们正在通过Chan Zuckerberg Initiative(CZI)的一年试点资助对其进行评估。 如果它有效,该团队的光谱表型技术可以为CZI支持的另一项努力提供工具:人类细胞图谱,这是一个旨在绘制体内每个细胞类型和位置的国际项目。 如果同步加速器驱动的方法可以适应其他实验室和医院可用的更适度的红外仪器,光谱表型可能有一天也有助于诊断疾病,探测导致疾病的细胞变化,并深入研究胚胎发育。 “我们整合的工具将打开这个领域,”McMurray预测道。

熟悉尚未发表的结果的科学家们称这种方法很有前景。 英国曼彻斯特大学的光谱学家彼得加德纳说:“我期待看到即将出现的研究成果。” 都柏林理工学院的化学物理学家Hugh Byrne对该团队测试其方法的彻底程度印象深刻。 “这是一个展示该技术能力的协同计划。”

Martin和McMurray喜欢将他们的方法与广泛使用的细胞识别技术进行对比:荧光标记。 为了刺激特定类型的细胞以产生诸如绿色荧光蛋白(GFP)的标记,科学家们必须为它们配备分子的基因。 添加DNA的技术可以改变细胞,因为GFP对它们来说是陌生的 - 它最初来自水母 - 它也可以改变它们的生理学。 此外,麦克默里指出,研究人员通常不得不用激光切割荧光标记,以诱导它们点亮,这可能会伤害或杀死细胞。 其他技术也同样具有侵略性。 马丁说:“如果你正在进行标记或染色,那么你正在改变细胞的真正化学性质”。 “我们想要探索化学是什么,而不是改变它来进行测量。”

这就是红外光谱学的用武之地。“红外线不是侵入性的,因此它可以用于完整的组织和活细胞,”McMurray说。 当样品暴露于不同波长的红外辐射时,它吸收的每个波长的光量表明它含有的化学基团的种类。 与荧光标记不同,吸收模式通常不能揭示细胞是否产生特定分子 - 例如,免疫受体CD4或CD8,其通常用于定义两类T细胞。 但细胞的红外光谱确实揭示了广泛类型的分子 - 如脂肪和蛋白质 - 提供了生化指纹。 因此,“你可以更全面地了解细胞,”Byrne说。

Martin和McMurray说标准红外光源不能提供他们所需的灵敏度,因此团队转向LBNL的高级光源同步加速器,其红外光束是世界上最亮的光源之一。 它“让我们获得更好的分辨率和保真度,”马丁说。 在英国格拉斯哥举行的6月SPEC2018会议上,麦克默里和马丁透露,他们可以区分两种类型的脑细胞 - 神经元和星形胶质细胞 - 来自小鼠的脑片。 在具有模仿亨廷顿病的病症的啮齿动物的脑组织中,它们还可以检测到指示变性的脂质的增加。 在未来,研究人员计划通过使用机器学习算法来挑选每种细胞类型的区别特征来自动化细胞识别。

McMurray及其同事仍然需要确定细胞的光谱特征是否保持不变或随其在体内的位置而变化。 对于潜在的医疗用途,他们还想知道当一个人生病时人体细胞的红外特征是否会发生变化。 然而,到目前为止,研究人员仅分析了小鼠组织。 “我们希望确保该方法的稳健性,”McMurray说。

新技术的一个局限是显而易见的 - 同步加速器庞大,昂贵且罕见,并且通常有数月的等待名单。 “你不会把你的同步加速器送进医院,”加德纳说。 但他指出,实验室机器正在迅速接近粒子加速器的红外发生能力。 McMurray补充说,在使用同步加速器确定各种细胞类型的独特光谱模式后,研究人员计划发布一个目录,允许其他科学家比较他们自己的样本的结果,甚至是那些用较少挑剔的实验室设备捕获的样本。

加德纳预计该项目将产生影响。 “他们拥有加速这项工作的工具,专业知识和人员,”他说。