麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法

　　利用可开关的荧光标签，麻省理工学院的工程师们可以研究细胞中的分子如何相互作用来控制细胞的行为，研究人员开发出一种方法，可以同时观察到多达七种不同的分子，甚至有可能观察到比这更多的分子。

　　活细胞会受到多种分子信号的轰击，这些信号会影响细胞的行为。如果能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对这些信号做出反应，就能帮助科学家更多地了解细胞是如何工作的，包括当细胞衰老或患病时会发生什么。

　　目前，这种全面的研究还不可能实现，因为目前的细胞成像技术仅限于同时对细胞内的少数不同分子类型进行成像。然而，麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，可以一次观察多达七种不同的分子，甚至有可能观察到比这更多的分子。

　　分子成像技术的突破

　　"在生物学中，有许多例子表明，一个事件会引发一长串下游事件，进而导致特定的细胞功能，"谭以骅神经技术教授爱德华-博伊登（Edward Boyden）说。"这是如何发生的？这可以说是生物学的基本问题之一，因此我们想知道，能不能简单地观察它的发生？"

　　新方法利用了以不同速率闪烁的绿色或红色荧光分子。通过对细胞进行数秒、数分钟或数小时的成像，然后利用计算算法提取每个荧光信号，就能跟踪每个目标蛋白质随时间变化的数量。

　　利用四种可切换荧光团，麻省理工学院的研究人员能够标记并成像这些细胞内的四种不同激酶（前四行）。下一行中，细胞核被标记为蓝色。图片来源：研究人员提供

　　博伊登是这项研究的资深作者，他也是麻省理工学院生物工程教授、脑与认知科学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所成员，以及杨丽莎仿生学中心（K. Lisa Yang Center for Bionics）的联合主任。麻省理工学院博士后钱勇是论文的第一作者。

荧光信号的进步

　　用荧光蛋白标记细胞内的分子使研究人员能够大量了解许多细胞分子的功能。这类研究通常使用绿色荧光蛋白（GFP），该蛋白在 20 世纪 90 年代首次用于成像。从那时起，又开发了几种能发出其他颜色光的荧光蛋白用于实验。

　　然而，典型的光学显微镜只能分辨出其中的两三种颜色，研究人员只能窥见细胞内发生的整体活动。如果能追踪更多的标记分子，研究人员就能测量脑细胞在学习过程中对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。

　　"理想情况下可以实时观察细胞内的信号波动，然后了解它们之间的关系。这将告诉我们细胞是如何计算的，"博伊登说。"问题是，无法同时观察很多东西。"

　　2020 年，博伊登的实验室开发出一种方法，通过将发光报告器瞄准细胞内的不同位置，同时对细胞内的多达五种不同分子进行成像。这种方法被称为"空间多路复用"，它能让研究人员分辨出不同分子的信号，即使它们发出的荧光颜色相同。

　　在这项新研究中，研究人员采用了一种不同的方法： 他们没有根据信号的物理位置来区分信号，而是创建了随时间变化的荧光信号。这种技术依赖于"可切换荧光团"--能以特定速率开启和关闭的荧光蛋白。在这项研究中，博伊登和他的研究小组成员确定了四种绿色可切换荧光团，然后又设计了另外两种，它们都以不同的速率开启和关闭。他们还确定了两种以不同速率开关的红色荧光蛋白，并设计了另外一种红色荧光团。

　　每种可切换的荧光团都可以用来标记活细胞内不同类型的分子，如酶、信号蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行数分钟、数小时甚至数天的成像后，研究人员使用一种计算算法，从每种荧光团中挑选出特定信号，这类似于人耳挑选出不同频率的声音。

　　"在交响乐团中，有长笛等高音乐器，也有大号等低音乐器。中间是小号等乐器。"博伊登说："它们都有不同的声音，而我们的耳朵会把它们分拣出来。"

　　研究人员用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性非混合法。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳使用一种称为傅立叶变换的数学模型来提取乐曲中的不同音高。

　　分析完成后，研究人员就能看到在整个成像过程中，细胞中每个荧光标记分子出现的时间和位置。成像本身只需一台简单的光学显微镜即可完成，无需专业设备。

探索生物现象

　　在这项研究中，研究人员通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子，展示了他们的方法。这样，他们就能确定细胞周期中依赖细胞周期蛋白的激酶的水平是如何变化的。

　　研究人员还发现，他们还能标记其他类型的激酶，这些激酶几乎涉及细胞信号传导的方方面面，还能标记细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中生长的哺乳动物细胞进行实验外，研究人员还证明这种技术可以在斑马鱼幼体的大脑中发挥作用。

　　研究人员表示，这种方法有助于观察细胞如何对营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质等任何输入做出反应。它还可以用来研究细胞如何对基因表达的变化或基因突变做出反应。所有这些因素都在生长、衰老、癌症、神经变性和记忆形成等生物现象中发挥着重要作用。

　　博伊登说："我们可以认为所有这些现象都代表了一类普遍的生物问题，即某些短期事件--如摄入某种营养物质、学习某些知识或受到感染--会产生长期变化。"

　　除了进行这些类型的研究，博伊登的实验室还在努力扩大可切换荧光团的范围，以便研究细胞内的更多信号。他们还希望调整该系统，使其能用于小鼠模型。