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科学家使用超声波技术来检测活细胞中的活性基因

2019-10-24
关键词: 超声波 医疗技术

  发表在《科学》杂志上的一项令人震惊的新研究表明,超声波可以帮助科学家了解活细胞中特定基因是处于活跃状态还是处于非活跃状态。这一惊人的壮举有望改变科学家检查各种活细胞活动的方式,从肿瘤的生长到神经元功能。超声波扫描已成为医生和患者医疗保健经验的重要组成部分。但是,它们在活细胞研究中也很重要,因为它们不会造成重大伤害。准确,便宜且易于学习的超声扫描在商店中仍然有一些惊喜。

  细胞保持关闭和打开基因以调节基因表达。传统上,激活基因的检测涉及使用诸如绿色荧光蛋白(GFP)之类的荧光标记,当该基因活跃时会发光。众所周知,这对于可以在培养皿中检查的培养细胞很有效,但是在生物体内,如何看到这种荧光?研究人员得出一个结论:使用超声波(一种非侵入性且无害的技术)来观察生物体并拾取这些细胞。但是它们遇到了另一个难题:使用常用的超声波波长无法真正区分出单个细胞。

  然后,科学家们发现了一些细菌,它们生活在水中,并在微观尺度上产生蛋白质包封的气泡,以保持自身漂浮。通过增加到达超声探头的反射波的数量,这些使得宿主细胞可以被超声高度检测。去年,当研究人员将通过注入气泡形成基因而被修饰的肠道细菌插入到活体小鼠的肠道中时,这一概念就经受了考验。使用超声波,他们能够检测肠道中的细菌簇。

  但是细菌基因的工作方式不像哺乳动物基因,因此他们接下来致力于改进其技术,以使相同的基因在哺乳动物细胞内起作用。例如,每个细菌基因都需要一个启动子,该启动子会启动该基因编码的蛋白质的生产过程。该启动子可以并且通常被许多细菌基因共享。

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  但是哺乳动物基因更严格:每个基因都需要自己的启动子。研究人员巧妙地使用一种病毒蛋白将几种细菌基因粘在一起,这样他们就可以“愚弄”哺乳动物细胞,将它们视为单个哺乳动物基因,并通过单个启动子将它们全部打开。这样,他们成功地证明了三个质粒形式的九个插入细菌基因在培养皿中的人胚肾(HEK)细胞内引起了令人满意的气泡形成。这是有史以来首次有六个以上的基因从细菌转移到哺乳动物细胞。

  超声波扫描可以检测到这些细胞的存在,但没有发现没有形成气泡的对照细胞。他们通过使用一种通过增加超声波压力使气泡放气的技术来提高分辨率,从而可以清楚地区分背景信号和包含气泡的信号。这似乎没有损害细胞,可以重复读取。

  因此,这些基因充当分子报道分子,表示通过超声波扫描检测到的细胞内活性基因的存在。研究人员称它们为哺乳动物声学报告基因(mARGs)。他们创建了单行HEK克隆,当启动子暴露于强力霉素时,它们始终产生气泡,甚至在与其他细胞混合时,即使浓度低至2.5%,也可以检测到气泡。然后他们将这些细胞放入小鼠体内。这些产生的小鼠肿瘤,然后通过用强力霉素治疗小鼠而被诱导表达mARGs。

  当用GFP成像时,肿瘤显示出非特异性的绿色斑块,缺乏报告基因的精确定位。但是,超声波显示的图像要清晰得多。仅肿瘤边界处的细胞显示气泡形成,其显示mARG激活。由于要在肿瘤的周围看到最大的血管形成,因此预期该区域显示出对强力霉素的最高反应。多普勒超声证实了这种新血管生长的模式。随后用显微镜检查该组织,确认仅在肿瘤外围存在活性基因。

  因此,基因工程构建体可用于监测哺乳动物细胞内特定基因的存在和功能。光学报道分子显示了特定激活基因的存在,可以在混合样本中检测到特定的细胞群,但通常只能在培养物或组织活检样本中检测到。相反,本技术允许体内无创检测基因表达。

  加利福尼亚州的神经科学家Sreekanth Chalasani说,所使用的技术非常复杂,大多数研究人员将无法利用这种方法。然而,研究人员们期待改进该技术,通过修饰基因构建体使其更加方便和通用。这对于实际探测哺乳动物和生物医学的未知领域将有很大帮助。


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