一项新技术利用声音观察单个细胞，并了解它们的行为方式。
该技术利用了声学报告基因。
它使研究人员能够利用超声对位于体内组织中的单个细胞进行成像。
如果您是一名研究人员，想要观察生物体中仅仅几个细胞的行为，这绝非易事。人体大约包含37万亿个细胞；您厨房台面上那些围着过熟香蕉飞来飞去的果蝇，可能只有50,000个细胞。即使是生物研究中常用的微小蠕虫秀丽隐杆线虫，细胞数也可多达3,000个。那么，如何在如此庞杂的细胞群中监测其中几个微小的细胞呢？
加州理工学院的科学家在Mikhail G. Shapiro实验室工作，其中Shapiro是化学工程教授，也是Heritage Medical Research Institute的研究员，他们已经找到了一种方法。
这项新技术利用了所谓的声学报告基因，Shapiro是该基因的先驱开发者之一。要理解声学报告基因，首先需要知道，报告基因是一段特殊的DNA片段，研究人员可将其插入生物体的基因组中，以帮助了解其功能。过去，报告基因通常编码荧光蛋白。例如，若研究人员将其中一个报告基因插入他们想研究的基因旁边（比如负责神经元发育的基因），那么这些神经元基因被激活时，也会产生荧光蛋白分子。当用合适的光照射这些细胞时，它们便会发光，这有点像荧光笔在书中标出特定段落。
不过，这些荧光报告基因有一个很大的缺点：光线难以穿透活体组织。
因此，Shapiro开发出了利用声音而非光线的报告基因。这些基因被插入细胞基因组后，会促使细胞产生微小的中空蛋白质结构，称为气囊泡。这些气囊泡通常见于某些细菌物种中，这些细菌借助它们漂浮在水中，而它们还具有一项有用的特性：受到超声波冲击时会“发出回响”。
其设想是：当产生这些气囊泡的细胞被超声成像时，它会发出声学信号，宣告其存在，使研究人员能够看到它的位置及其活动。此前，Shapiro实验室的研究已利用这项技术显示了细胞中酶的活性。
在最新论文中，研究团队介绍了他们如何大幅提高该技术的灵敏度，使其现在能够对体内组织中携带声学报告基因的单个细胞进行成像。
“与以往关于气囊泡的研究相比，这篇论文使我们能够观察到数量少得多的气囊泡，”第一作者Daniel Sawyer（2021年获博士学位）说，他曾是Shapiro实验室的生物工程博士生。“这就好比从一颗只能看到小镇灯光的卫星，升级到一颗能看到单盏路灯光芒的卫星。”
与他们此前用于对携带声学报告基因的细胞进行成像的技术相比，他们的改进使灵敏度提高了1000倍以上。差异在于他们所使用的超声，以及气囊泡对超声的响应方式。
此前的成像技术依赖于气囊泡像被敲击的铃铛那样发出回响，而新技术则使用更强的超声，使气囊泡像气球一样“爆裂”。
“气囊泡在那一瞬间会产生非常强的信号，”Shapiro说，“随后气囊泡破裂，信号随之停止。我们所寻找的，正是那一闪而过的信号。”
这一信号非常清晰，即便在超声穿透组织时产生的各种背景噪声中，研究人员也能轻松检测到。Shapiro表示，近期关于经工程改造、可注射并攻击癌细胞的细菌（即“肿瘤归巢”细菌）的研究，使人们迫切需要更好的方法来追踪这些细胞，观察它们最终在体内的何处定植。研究人员发现，当这些细菌还被改造为携带气囊泡基因后，便有可能在其经血液注射进入体内后，追踪单个细菌细胞进入肝脏并在其中移动的过程。
Sawyer表示，若研究人员希望利用超声研究肠道微生物组的组成，这一级别的灵敏度是必要的。一旦肠道微生物组受到干扰，可能会影响阿尔茨海默病和自闭症等疾病。
“你肠道中的细菌种类繁多，其中一些极为稀少，因此你需要一种足够灵敏的技术，才能在体内深处只观察到其中少数几个，”他说。
使细胞内的气囊泡爆裂会伤害细胞吗？答案是：并非如此。
“简短的回答是否定的，而在大多数实际情况下，详细的回答也是否定的，”Sawyer说，“在某些情况下，那些非常小、却含有大量气囊泡的单个细菌细胞会受到伤害，但如果其中少数细胞的生存能力下降，对细菌种群的影响并不大。而在哺乳动物细胞中，我们没有观察到任何负面影响。”
Shapiro和Sawyer未来的研究将沿两条路径推进。其中一条路径是在研究人员已有成果的基础上，开发更先进的成像技术。这将涉及设计和测试具有不同特性的新型气囊泡，例如更易爆裂的气囊泡、更坚固的气囊泡，或能够进入大型气囊泡无法到达之处的更小气囊泡。Sawyer表示，另一条路径则是为他们所开发的技术寻找实际应用。
“在光学显微镜领域，光学探针与显微方法曾协同发展，形成了双光子显微镜和光片显微镜等技术[两者均属于荧光显微镜类型]，”Shapiro说，“Danny的论文是这些成像技术超声类似方法发展的一部分。”
描述其研究的论文题为“Ultrasensitive ultrasound imaging of gene expression with signal unmixing”，发表于《Nature Methods》期刊8月6日的一期。合著者包括：化学工程访问学者Avinoam Bar Zion；Arash Farhadi（2020年获博士学位）；生物工程研究生Shirin Shivaei；化学工程研究生Bill Ling；以及前加州理工学院成员Audrey Lee-Gosselin。
该研究由美国国立卫生研究院提供资金支持。
Mikhail Shapiro是以下机构的附属教员：
