科学家们找到了用声音“看到”单个细胞的方法

这项新技术利用了所谓的声学报告基因，Shapiro一直是该技术的先驱开发者。要了解声学报告基因，首先要知道报告基因是一个专门的DNA片段，研究人员可以将其插入生物体的基因组中，以帮助他们了解生物体正在做什么。从历史上看，报告基因是编码荧光蛋白的。例如，如果研究人员将这些报告基因中的一个“插入”到他们想要研究的基因旁边--例如，负责神经元发育的基因--这些神经元基因的激活也将产生荧光蛋白分子。当正确的光线照射在这些细胞上时，它们就会亮起来，有点像荧光笔可以标记书中的特定段落一样。

不过这些荧光报告基因有一个很大的缺点：光不能很好地穿透活体组织。

因此，Shapiro已经开发了使用声音而不是光的报告基因。这些基因，当“插入”到一个细胞的基因组中时，会使它产生微小的空心蛋白结构，称为囊泡。这些囊泡通常存在于某些种类的细菌中，它们利用这些囊泡在水中漂浮，但它们也有一个有用的特性，即在受到超声波冲击时"响起"。

这个想法是，当用超声波对产生这些囊泡的细胞进行成像时，它将发出一个声学信号，宣布它的存在，使研究人员能够看到它在哪里以及它在做什么。在Shapiro实验室以前的工作中，这种技术已经被用来显示细胞中的酶的活性。

在他们最新的论文中，该研究小组描述了它是如何将该技术的灵敏度提高到现在可以对位于身体组织内携带声学报告基因的单细胞进行成像。

"与以前关于囊泡的工作相比，这篇论文使我们能够看到数量小得多的这些气体小泡，"主要作者、Shapiro实验室的前生物工程博士生Daniel Sawyer说。他们的改进代表了比之前他们用于对携带声学报告基因的细胞进行成像的技术的灵敏度增加了1000多倍。差别在于他们使用的超声波以及气体囊泡如何对其作出反应。

以前的成像技术依靠囊泡像被敲击的钟一样响起，而新技术使用更强的超声波，像气球一样"弹开"囊泡。Shapiro说：“在那一刻，囊泡产生了一个非常强烈的信号。然后囊泡破裂，停止产生信号。我们正在寻找那个小突起。”

这个小突起是如此清晰，以至于研究人员可以很容易地检测到它，甚至在超声波穿透组织产生的所有背景噪音中。Shapiro说，最近关于攻击癌细胞的可注射细菌的工程菌株，或"肿瘤归宿"细菌的工作，创造了对追踪这些细胞的更好方法的需求，以了解它们在身体的哪个部位。研究人员表明，当这些细菌也被设计为携带气囊基因时，就有可能追踪单个细菌细胞，因为它们在被注入血液后进入并穿过了肝脏。

Sawyer说，如果研究人员想用超声波来研究肠道微生物组的组成，这种敏感度是必要的，因为肠道微生物组一旦被破坏，会影响阿尔茨海默病和自闭症等疾病。

他说：“你的肠道里有这么多种类的细菌，而且有些细菌非常罕见，你需要足够敏感的东西来观察身体深处的少数细菌。”

弹出细胞内的囊泡会伤害细胞吗？Sawyer说：“简短的答案是否定的，长的答案是在大多数实际情况下也是否定的。在某些情况下，非常小的、拥有非常多的这些气体小泡的单个细菌细胞会受到伤害，但是如果其中几个细菌变得不那么有活力，这对细菌群体并没有什么影响。而在哺乳动物细胞中，我们没有看到负面的影响。”

Shapiro和Sawyer正在为他们的研究追求两条道路。一条道路是在研究人员已经开发的基础上，创造更先进的成像技术。这将涉及工程和测试具有不同性质的新型囊泡，如更容易弹出的囊泡，或更坚固的囊泡，或更小的囊泡，可以适合较大的囊泡不能进入的地方。另一条道路是为他们开发的技术寻找实际应用。

"在光学显微镜领域，有这种光学探针和显微镜方法的共同发展，如双光子显微镜和光片显微镜[两者都是荧光显微镜的类型]，"Shapiro说。"Daniel 的论文是这些成像技术的超声类似物发展的一部分。"

描述他们研究的论文——《超敏感的超声成像与信号解混的基因表达》，与8月6日发表在《自然方法》杂志上。共同作者包括化学工程专业的访问学者Avinoam Bar Zion；Arash Farhadi；生物工程专业的研究生Shirin Shivaei；化学工程专业的研究生Bill Ling；以及前加州理工学院的Audrey Lee-Gosselin。