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Science关注:超声波可以“看到”肿瘤细胞何时打开和关闭基因

2019/10/08 生物探索
导读:美国加州理工学院的科学家们开发出一种全新的超声成像系统。这一技术冲破了原有成像技术的桎梏,甚至还能看到肿瘤细胞基因何时最为活跃。

近日,《Science》杂志上发表的一则论文引起了各界的关注。美国加州理工学院的科学家们开发出一种全新的超声成像系统。这一技术冲破了原有成像技术的桎梏,甚至还能看到肿瘤细胞基因何时最为活跃。


DOI: 10.1126/science.aax4804

现代细胞生物学家总会想各种办法去窥看DNA片段,因为这些是解读细胞功能的密码。细胞不断地打开或关闭基因从而控制细胞,科学家通过观察DNA遗传程序来了解细胞的功能。

研究人员通过编码细胞外一种绿色荧光蛋白(GFP)的物质来观察。顾名思义,它是一种发出明亮绿色的蛋白质。因此,如果研究人员想要更多地了解细胞是如何变成神经元的,他们可以将GFP基因和神经元基因一起插入胚胎的DNA中。当胚胎细胞打开神经元基因时,它们也会表达GFP基因,细胞会发出绿光,这使得研究人员很容易发现编码神经元形成的基因程序是活跃的。

尽管这项技术一直有用,但它有一个很大的局限性:由于光线无法很好地穿透大多数生物组织,因此GFP基因无法用于监测生物体内深层细胞的活性。

超声波冲破桎梏观察基因

为了解决这一难题,加州理工学院的Mikhail Shapiro提出了新的解决方案。传统医学研究所化学工程教授兼研究人员Shapiro带领研究生Arash Farhadi及其同事开发出了一种新的基因报告方式。他们使用超声波观察遗传活性,相较于光线,超声波可以穿透组织深处。这种非侵入性技术非常擅长窥探组织。


研究人员已经使用超声波来检测肿瘤中的基因活性

科学家们从一些水生微生物中得到了灵感:这些微生物会在体内形成一类特殊的蛋白结构,它们就像是气球一样,中间充满了空气。对水生微生物而言,这种蛋白结构能给它们提供浮力。而在科学家的眼中,由于结构中的空气与细胞中的水分在性质上具有天壤之别,这种蛋白结构足以提供超声成像所需的分辨率。

为了将编码气体囊泡的基因转变为报告基因,Shapiro和Farhadi做了一件从未做过的事情:将11个基因用于将充满气体的蛋白质植入到肠道细菌中,然后将修饰的微生物注射到小鼠的肠道中。使用小型超声波探头动物肠道中的细菌簇。这一过程充满了挑战,因为细菌和哺乳动物在其DNA中读取基因的方式有所不同。

生物读取“基因密码”系统不兼容

这一过程充满了挑战,因为细菌和哺乳动物在其DNA中读取基因的方式有所不同。这意味着尽管Shapiro和Farhadi可以将细菌DNA插入细胞中,但是这些细胞不知道如何处理该DNA,这类似于为Apple计算机编写的程序不会在Windows计算机上运行。

Farhadi及其同事给出了解决方法。他们发现,通过将几种细菌基因与一种病毒中的蛋白质缝合在一起,他们可以通过一个启动子诱使哺乳动物细胞激活这些基因。插入9种细菌基因可以在培养皿中诱导人肾细胞(HEK细胞)产生气体球。含有气体囊泡的细胞在超声下出现,而对照细胞则没有。


超声图像显示基因在小鼠肿瘤的边缘活跃

为了测试这些细胞在动物中是否可见,研究人员将这些基因转移到病毒改变的人肾细胞中,然后将其注入小鼠体内。这些细胞导致肿瘤在啮齿动物中发芽。当研究人员用GFP观察肿瘤时,它们显示为绿色斑点。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。

新技术还有待完善

多伦多森尼布鲁克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。”但是科学家一致认为,这项技术还存在一些问题,正如加州圣迭戈Salk生物研究所的神经科学家Sreekanth Chalasani所说:“这项基因工程很是复杂,如果有一种更加简单的方法来植入这些基因,我会更乐意使用。”

蛋白质按一定比例编程到细菌基因簇中时,我们必须弄精确这些比例,Shapiro和法哈迪Farhadi说,要弄清这一点,还需耗时数年的系统过程。既然他们具有有效的基因,他们说他们将能够使用它们研究肿瘤,免疫细胞,神经元和活生物体中其他细胞类型中的基因表达。通过进一步的改进,他们希望世界各地的生物学家将使用超声波探查模型生物,以研究其自然生物学环境中的细胞,并希望医生有朝一日可以使用超声波来监测患者基于细胞的疗法的命运。

参考资料:

[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

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