科学家最新绘制出活细胞内部运作原理

像x射线和核磁共振成像这样的成像工具已经给医生们提供了一种彻底的治疗方法，让医生们可以近距离观察病人的大脑和其他重要的器官。现在哥伦比亚大学的研究人员报告了一种新方法来放大微小尺度来追踪单个细胞内的变化。研究发表在《自然通讯》(Nature Communications)上，该工具将一种广泛使用的化学示踪剂D2O或重水与一种相对较新的激光成像方法——受激拉曼散射(SRS)相结合。这项技术的潜在应用包括帮助外科医生快速精确地切除肿瘤，帮助发现头部损伤和发育和代谢紊乱。哥伦比亚大学化学教授魏敏(音译)说：我们可以利用这项技术将各种动物的新陈代谢活动可视化影像。

当活细胞吸收重水时，氘会被合并到新合成的蛋白质、脂类和DNA中。当研究人员将受激拉曼散射(SRS)显微镜的光对准单个细胞时，上面的每一个大分子都能在细胞内被识别出来。图片：Wei Min lab/Columbia University

博科园–科学科普：通过追踪新的蛋白质、脂类和DNA分子在何时何地产生，可以了解更多关于动物如何发育和衰老的信息，以及在受伤和疾病的情况下会出现什么问题。这项突破涉及使用重水作为化学示踪剂。将水的氢原子与较重的相对、氘、重水相交换，看起来和尝起来像普通的水，小剂量(不超过5汤匙)可以安全饮用。一旦被体内的细胞代谢，重水就会被加入到新合成的蛋白质、脂质和DNA中，氘会与碳形成化学键。研究人员发现，当这些碳-氘键被光击中时，它们会以不同的频率振动，从而使每个大分子被识别为蛋白质、脂质或DNA。通过这些频率信号，可以追踪动物大脑、皮肤、肠道和其他器官中新的蛋白质、脂类和DNA的生长情况。

尽管重水已经被用来标记蛋白质和脂类以追踪新陈代谢的变化，但目前的分析是在质谱仪上进行的，对从人体中提取的细胞进行分析。这种方法现在使在实时和空间中可视化亚细胞变化成为可能。哥伦比亚大学的博士后研究员Lingyan Shi说：不断地看到活的动物细胞内发生的变化。在此之前只有一张快照。在这项研究中，研究人员用D2O稀释普通水，并将它给蛔虫、老鼠和斑马鱼胚胎喝。将SRS激光对准各种组织，观察了数小时又数天，发现新的氘标记蛋白、脂质和DNA正在形成。在一项实验中，观察到在快速增长的小鼠大脑和结肠肿瘤周围出现了一条清晰的线。当癌细胞分裂时，更多的氘被加入到新合成的蛋白质和脂类中。这种方法在健康组织和癌组织之间建立了一条清晰的界限，使切除肿瘤变得更容易。

这些实验也为细胞发育和衰老提供了新的见解。在蛔虫体内，他们观察到，当蛔虫衰老时，其生殖系统中的脂肪含量会上升或下降。发现，脂肪有助于蠕虫的卵成熟，一旦添加的脂肪不再有用，脂肪形成就会减慢。还在老虫体内发现了一些新的蛋白质，这表明氘标记的SRS成像技术可以用来追踪蛋白质沉积，从而追踪与衰老相关的疾病。在幼鼠发育的大脑中，观察到每一个细胞周围都有一层叫做髓鞘的绝缘脂肪。研究人员通过实时观察这一过程发现，氘标记的SRS成像可以用来判断一个孩子的大脑是否发育正常，或者是否患有多发性硬化症(一种攻击大脑髓磷脂、扰乱信息流的疾病)的病人正在康复。

通过使用氘标记的SRS成像技术，研究人员观察了发育中的老鼠的脑细胞在一种叫做髓鞘化的过程中迅速增加脂肪，检测正常和异常髓鞘化的能力可以帮助检测头部损伤和监测多发性硬化的进展。图片：Min lab/Columbia

在小鼠的汗腺细胞中，他们观察到在汗腺外边缘的细胞中形成了新的脂质，将较老的细胞推向内部。当这些老细胞最终到达腺体的中心时，它们就死亡了，并在被认为能滋润皮肤和头发的过程中被排出体外。加州大学尔湾分校(University of California at Irvine)的化学系教授埃里克帕特玛(Eric Potma)说：这种制图方法的美妙之处在于它的简单性。它在组织中以看似微不足道的努力生成了代谢活动的生动图像。随着SRS显微镜越来越小，氘标记的SRS成像可能有助于在更早的阶段捕获肿瘤。出于对氢元素以更重形式出现的预感，哥伦比亚大学的化学教授Harold Urey在1931年成功地将氘和液态氢分离出来。这一发现为他赢得了诺贝尔化学奖。除了在质谱上充当示踪剂外，氘现在还被用来追踪海洋环流的变化，研究恒星的形成，以及在制造核能时调节化学反应。

博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature Communications》｜研究/来自：哥伦比亚大学，DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3

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