像x射線和核磁共振成像這樣的成像工具已經給醫生們提供了一種徹底的治療方法，讓醫生們可以近距離觀察病人的大腦和其他重要的器官。現在哥倫比亞大學的研究人員報告了一種新方法來放大微小尺度來追蹤單個細胞內的變化。研究發表在《自然通訊》(Nature Communications)上，該工具將一種廣泛使用的化學示蹤劑D2O或重水與一種相對較新的激光成像方法——受激拉曼散射(SRS)相結合。這項技術的潛在應用包括幫助外科醫生快速精確地切除腫瘤，幫助發現頭部損傷和發育和代謝紊亂。哥倫比亞大學化學教授魏敏(音譯)說：我們可以利用這項技術將各種動物的新陳代謝活動可視化影像。
當活細胞吸收重水時，氘會被合併到新合成的蛋白質、脂類和DNA中。當研究人員將受激拉曼散射(SRS)顯微鏡的光對準單個細胞時，上面的每一個大分子都能在細胞內被識別出來。圖片：Wei Min lab/Columbia University
博科園-科學科普：通過追蹤新的蛋白質、脂類和DNA分子在何時何地產生，可以瞭解更多關於動物如何發育和衰老的信息，以及在受傷和疾病的情況下會出現什麼問題。這項突破涉及使用重水作為化學示蹤劑。將水的氫原子與較重的相對、氘、重水相交換，看起來和嚐起來像普通的水，小劑量(不超過5湯匙)可以安全飲用。一旦被體內的細胞代謝，重水就會被加入到新合成的蛋白質、脂質和DNA中，氘會與碳形成化學鍵。研究人員發現，當這些碳-氘鍵被光擊中時，它們會以不同的頻率振動，從而使每個大分子被識別為蛋白質、脂質或DNA。通過這些頻率信號，可以追蹤動物大腦、皮膚、腸道和其他器官中新的蛋白質、脂類和DNA的生長情況。
儘管重水已經被用來標記蛋白質和脂類以追蹤新陳代謝的變化，但目前的分析是在質譜儀上進行的，對從人體中提取的細胞進行分析。這種方法現在使在實時和空間中可視化亞細胞變化成為可能。哥倫比亞大學的博士後研究員Lingyan Shi說：不斷地看到活的動物細胞內發生的變化。在此之前只有一張快照。在這項研究中，研究人員用D2O稀釋普通水，並將它給蛔蟲、老鼠和斑馬魚胚胎喝。將SRS激光對準各種組織，觀察了數小時又數天，發現新的氘標記蛋白、脂質和DNA正在形成。在一項實驗中，觀察到在快速增長的小鼠大腦和結腸腫瘤周圍出現了一條清晰的線。當癌細胞分裂時，更多的氘被加入到新合成的蛋白質和脂類中。這種方法在健康組織和癌組織之間建立了一條清晰的界限，使切除腫瘤變得更容易。
這些實驗也為細胞發育和衰老提供了新的見解。在蛔蟲體內，他們觀察到，當蛔蟲衰老時，其生殖系統中的脂肪含量會上升或下降。發現，脂肪有助於蠕蟲的卵成熟，一旦添加的脂肪不再有用，脂肪形成就會減慢。還在老蟲體內發現了一些新的蛋白質，這表明氘標記的SRS成像技術可以用來追蹤蛋白質沉積，從而追蹤與衰老相關的疾病。在幼鼠發育的大腦中，觀察到每一個細胞周圍都有一層叫做髓鞘的絕緣脂肪。研究人員通過實時觀察這一過程發現，氘標記的SRS成像可以用來判斷一個孩子的大腦是否發育正常，或者是否患有多發性硬化症(一種攻擊大腦髓磷脂、擾亂信息流的疾病)的病人正在康復。
通過使用氘標記的SRS成像技術，研究人員觀察了發育中的老鼠的腦細胞在一種叫做髓鞘化的過程中迅速增加脂肪，檢測正常和異常髓鞘化的能力可以幫助檢測頭部損傷和監測多發性硬化的進展。圖片：Min lab/Columbia
在小鼠的汗腺細胞中，他們觀察到在汗腺外邊緣的細胞中形成了新的脂質，將較老的細胞推向內部。當這些老細胞最終到達腺體的中心時，它們就死亡了，並在被認為能滋潤皮膚和頭髮的過程中被排出體外。加州大學爾灣分校(University of California at Irvine)的化學系教授埃裡克帕特瑪(Eric Potma)說：這種製圖方法的美妙之處在於它的簡單性。它在組織中以看似微不足道的努力生成了代謝活動的生動圖像。隨著SRS顯微鏡越來越小，氘標記的SRS成像可能有助於在更早的階段捕獲腫瘤。出於對氫元素以更重形式出現的預感，哥倫比亞大學的化學教授Harold Urey在1931年成功地將氘和液態氫分離出來。這一發現為他贏得了諾貝爾化學獎。除了在質譜上充當示蹤劑外，氘現在還被用來追蹤海洋環流的變化，研究恆星的形成，以及在製造核能時調節化學反應。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Nature Communications》｜研究/來自：哥倫比亞大學，DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3
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