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細胞放大鏡: 剝開癌細胞的“畫皮”

發佈時間:2018-11-20 11:12:53  |  來源:科技日報  |  作者:張曄  |  責任編輯:楊碩

近期,接二連三有公眾人物因癌症突然離世,令人扼腕的同時也引發熱議:我們該如何更早地發現癌症,從而獲得儘早治療的機會?

根據《全球癌症報告》顯示,2018年全球預計新增1810萬例癌症病例,死亡人數達960萬。而在中國,癌症已成為中國城市居民的頭號殺手。目前,我國癌症發病率接近世界平均水準,但死亡率高於世界水準。世界衛生組織專家認為,早診早治是關鍵。

近日,中科院院士、南京大學化學化工學院陳洪淵教授團隊,在國際上率先實現了在納秒及奈米尺度上對單個活細胞內生物分子化學反應過程的分析工作,可精準測量單個細胞內分子的動態變化。也就是説,有望對早期病變細胞進行檢測,剝開癌細胞的“畫皮”,從而去幫助臨床大夫進行診療。相關研究發表在《美國科學院院報》等一系列國際一流刊物上。

“看穿”細胞內分子的細微變化

如果把人體內的細胞比作廣場上的許多人,表面上看起來他們都很正常,但是其中有些人的內心已經起了變化,就像是一群“潛伏者”,一旦時機成熟,就會興風作浪。

癌症等疾病在早期時,人體不會有任何症狀,如果按照一般的檢測手段,相當於從外觀的角度,透視或放大人體組織器官,很難“看穿”細胞內分子的細微變化。

一直以來,科學家苦苦尋找能在早期辨別出這些“潛伏者”的有效方法。從上世紀80年代起,依靠科學儀器對細胞內的分子變化情況進行精準探測,並用化學分析的方法得出判斷結果,逐漸成為一種全新的檢測手段。

“就像一個人,我們不僅要了解他的容貌、身高、體重,還要了解他的性格。”研究團隊的主要成員之一、南京大學江德臣教授打了個比方。

“人是由細胞組成的,其中有複雜的變化過程,我們希望從源頭追究細胞中的各種化學反應。”陳洪淵説,癌細胞是善於偽裝自己的,這個儀器可以在細胞病變的最早期,對正常細胞和病變細胞進行有效的識別,以做出一些有價值的判斷。

這個方法的基本原理就是用奈米尺寸大小的探針,深入到單個活細胞中,利用探針表面的識別物或輸送進去的檢測試劑去尋找特定的分子,“就像在一群人當中尋找穿紅色衣服的人”,江德臣説。

在南京大學生命分析化學國家重點實驗室,科技日報記者看到,這套“單細胞高時空分辨分子動態分析系統”,由諸多分析模組相接組合,佔據了一整間約120平米的實驗室。“我們這套測量系統通過綜合電化學、光學、質譜檢測手段,可以探知細胞內的化學變化。你可以把它看作是‘化學顯微鏡’‘細胞放大鏡’,它可以給各種細胞貼上分子標簽。”陳洪淵介紹到,我們要從實驗觀測到的結果,想方設法剝開癌細胞的“畫皮”,從而去幫助臨床大夫進行診療。

奈米管中流過十億分之一的小水珠

科學研究發現,任何物質都是由極微小的粒子及分子組成的,細胞也不例外。這些微小顆粒分為細胞器、囊泡和分子。其中,細胞器中的化學變化支配著細胞的很多活動。

一般來説,細胞的平均直徑在10—30微米之間,而一個細胞器的直徑僅為50—100奈米。想要在如此小的尺度上對其包含的分子進行化學反應的檢測,可以説極為困難。

“我們設計的奈米探針,根據檢測目標物的不同,會在探針上修飾不同的識別物,可以特徵性地去識別一些分子。”陳洪淵介紹説,這就可以獲取被檢測區間中更加詳實的分子資訊。

為了實現對於複雜生物分子的檢測,科研人員則把對應的檢測試劑輸送到細胞中。向細胞內如此狹小的空間進行精準、定量地物質輸運是一個難題,此前也沒有成熟的技術可供借鑒。

經過多次研討,項目組利用“溶液可在電場作用下,在奈米管中流動”的原理,實現了將這些試劑通過探針定向輸運到細胞內的指定位置。

由於輸運溶液的體積只有“飛升”,即僅相當於一滴水的十億分之一,該採用多大電壓?如何觀測這樣微小的液滴?研究團隊在設計好實驗方案的基礎上,又查閱了大量的資料,通過反覆的實驗論證,終於在多次反覆實驗後穩定地獲得了從奈米毛細管內精準排出的液體。並在此基礎上,進一步優化實驗參數,使之在分析時不會干擾細胞自身的活性。

相當於在細胞裏做一次化學實驗

目前,國際上的相關檢測通常做到200奈米級分辨的觀測。而陳洪淵團隊實現了50奈米級分子化學反應的分析工作。

“我們成功地實現了將‘飛升’體積的分析溶液輸運到目標區域,並在國際上率先實現了對單個細胞器中蛋白活性的定量電化學分析。”江德臣介紹説,這項研究的先進性在於提高了單細胞分析的空間識別能力,就好比原來拍一個東西得到的照片是512×512像素,現在發明瞭可拍攝更高像素(如2048×2048)的工具,可以看得更加清楚。

在上世紀80年代,陳洪淵就開始探索針對生命分析時空分辨的方法、技術和裝置。進入21世紀後,他帶領的團隊在之前的基礎上,開始對生命活動過程中的分子含量及其變化進行探測,開拓生命分析化學研究新領域。

“一個細胞就是一個小宇宙。”在一般人看來,細胞是小到極致,宇宙是大到極致,而在陳洪淵看來,小與大是一個辯證的概念。把細胞看成一個大東西以後,所有宏觀上的工具便都可以運用於此。所需要做的只是把工具做小,和細胞匹配。

目前,人類對於細胞分子的檢測手段也日益豐富,除了這種“單細胞高時空分辨分子動態分析系統”之外,還有一種超分辨顯微鏡也獲得長足發展。

“兩者都可以實現對好細胞和壞細胞的區分。細胞中的分子資訊包含物理資訊(如分佈及其含量等)和化學資訊(如氧化/還原活性及動力學參數等),這些資訊都是評估細胞的重要參數。超分辨顯微鏡是基於熒光或者其他光學檢測手段,主要實現對生物分子的分佈、含量等物理資訊的讀取,空間解析度已達10nm(奈米)。我們的儀器特點在於對細胞內分子的化學資訊的獲取。同時,我們綜合了電化學、光學和質譜的資訊,獲取的資訊量比超分辨顯微鏡會更加豐富一些。”陳洪淵説,我們的儀器和超分辨顯微鏡各有所長,互為補充。

目前,陳洪淵團隊的研究還在不斷探索深入中。據介紹,團隊目前正在研究通過儀器獲取單個活細胞內多種“標誌物”動態變化的分子測量系統,實現對單個迴圈腫瘤細胞中多種癌症“標誌物”的檢測,解決當前單一“標誌物”可信度低的問題。


 
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