近日，《Science》雜志上發(fā)表的一則論文引起了各界的關(guān)注。美國加州理工學院的科學家們開發(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胞基因何時最為活躍。

DOI: 10.1126/science.aax4804

　　現(xiàn)代細胞生物學家總會想各種辦法去窺看DNA片段，因為這些是解讀細胞功能的密碼。細胞不斷地打開或關(guān)閉基因從而控制細胞，科學家通過觀察DNA遺傳程序來了解細胞的功能。

　　研究人員通過編碼細胞外一種綠色熒光蛋白（GFP）的物質(zhì)來觀察。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。當胚胎細胞打開神經(jīng)元基因時，它們也會表達GFP基因，細胞會發(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。

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

　　超聲波沖破桎梏觀察基因

　　為了解決這一難題，加州理工學院的Mikhail Shapiro提出了新的解決方案。傳統(tǒng)醫(yī)學研究所化學工程教授兼研究人員Shapiro帶領(lǐng)研究生Arash Farhadi及其同事開發(fā)出了一種新的基因報告方式。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)非常擅長窺探組織。

研究人員已經(jīng)使用超聲波來檢測腫瘤中的基因活性

　　科學家們從一些水生微生物中得到了靈感：這些微生物會在體內(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。而在科學家的眼中，由于結(jié)構(gòu)中的空氣與細胞中的水分在性質(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)閳蟾婊?，Shapiro和Farhadi做了一件從未做過的事情：將11個基因用于將充滿氣體的蛋白質(zhì)植入到腸道細菌中，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物腸道中的細菌簇。這一過程充滿了挑戰(zhàn)，因為細菌和哺乳動物在其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

　　這一過程充滿了挑戰(zhàn)，因為細菌和哺乳動物在其DNA中讀取基因的方式有所不同。這意味著盡管Shapiro和Farhadi可以將細菌DNA插入細胞中，但是這些細胞不知道如何處理該DNA，這類似于為Apple計算機編寫的程序不會在Windows計算機上運行。

　　Farhadi及其同事給出了解決方法。他們發(fā)現(xiàn)，通過將幾種細菌基因與一種病毒中的蛋白質(zhì)縫合在一起，他們可以通過一個啟動子誘使哺乳動物細胞激活這些基因。插入9種細菌基因可以在培養(yǎng)皿中誘導人腎細胞（HEK細胞）產(chǎn)生氣體球。含有氣體囊泡的細胞在超聲下出現(xiàn)，而對照細胞則沒有。

超聲圖像顯示基因在小鼠腫瘤的邊緣活躍

　　為了測試這些細胞在動物中是否可見，研究人員將這些基因轉(zhuǎn)移到病毒改變的人腎細胞中，然后將其注入小鼠體內(nèi)。這些細胞導致腫瘤在嚙齒動物中發(fā)芽。當研究人員用GFP觀察腫瘤時，它們顯示為綠色斑點。超聲提供了更精確的圖像，表明只有腫瘤邊緣的細胞才打開產(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中心的放射腫瘤學家Gregory Czarnota說：“這是一種探測細胞中基因表達的靈巧聲學方法?！钡强茖W家一致認為，這項技術(shù)還存在一些問題，正如加州圣迭戈Salk生物研究所的神經(jīng)科學家Sreekanth Chalasani所說：“這項基因工程很是復雜，如果有一種更加簡單的方法來植入這些基因，我會更樂意使用?！?/p>

　　蛋白質(zhì)按一定比例編程到細菌基因簇中時，我們必須弄精確這些比例，Shapiro和法哈迪Farhadi說，要弄清這一點，還需耗時數(shù)年的系統(tǒng)過程。既然他們具有有效的基因，他們說他們將能夠使用它們研究腫瘤，免疫細胞，神經(jīng)元和活生物體中其他細胞類型中的基因表達。通過進一步的改進，他們希望世界各地的生物學家將使用超聲波探查模型生物，以研究其自然生物學環(huán)境中的細胞，并希望醫(yī)生有朝一日可以使用超聲波來監(jiān)測患者基于細胞的療法的命運。