可觀測單細胞基因表達的超靈敏超聲成像

2021年8月5日Nature Methods報道，美國加州理工學院的研究者開發了一種結合“聲音報告基因”和超聲成像觀測基因表達的新技術，該技術能夠檢測單個細菌和哺乳動物細胞中的基因表達，該研究將極大地擴展超聲波在細胞功能非侵入性成像中的潛在用途。

報告基因是一種專門的DNA片段，研究人員可以將其插入生物體的基因組，以幫助他們了解生物體的行為。例如常用的熒光蛋白報告基因插入到感興趣基因旁邊，用合適的光線照射這些細胞，它們就會亮起來，但熒光報告基因的缺陷是光不能穿透較厚的活組織。

研究者發明了用聲音代替光的報告基因。聲音報告基因被插入到細胞基因組中時，細胞就會產生微小的中空蛋白質結構（囊泡），當產生囊泡的細胞被超聲波成像時，就會發出聲音信號。該研究團隊之前曾利用這項技術來顯示細胞中酶的活性。

在最新的研究中，研究者通過改進，將靈敏度提高了1000多倍，可以對人體組織中單個細胞進行成像。先前的成像技術依賴于囊泡像被擊打的鈴鐺一樣發出聲音，而新技術使用了更強的超聲波，使囊泡像氣球一樣“破裂”，發出非常強烈的信號，即使是在超聲波穿透組織所產生的背景噪音中。研究者對攻擊癌細胞的工程菌株進行追蹤，將這些細菌導入氣囊基因，就可以追蹤單個細菌細胞在被注入血液后進入和穿過肝臟的過程。

研究團隊正在改進以開發更先進的成像技術，測試具有不同特性的新型囊泡，比如更容易破裂的囊泡、或更堅固的囊泡、或更小的囊泡可以進入以往無法進入的地方。另一方面研究者正在為開發的新技術找到更多應用場景。