Science大發現：超聲波「看」到腫瘤細胞打開了基因...

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研究人員已經使用超聲波來檢測腫瘤中的基因活性，這是用一種較老的螢光技術成像。圖片來源：Science

通常，研究活體生物內的細胞過程需要一些方法來可視化細胞功能，例如深層組織中的基因表達。超聲波是一種廣泛使用的生物醫學技術，如觀察心臟瓣膜滲漏、肌腱撕裂和子宮內嬰兒的早期快照等。它可以實現具有高時空解析度的無創成像。

北京時間9月27日，發表在《Science》上的一項新研究中，來自美國加州理工學院的研究團隊證實，超聲波還可以測量某些基因在動物中是否打開。這一壯舉有朝一日可以幫助科學家探索從腫瘤生長到神經細胞功能的方方面面。

沒有參與這項研究的加拿大瑞爾森大學的生物醫學物理學家Michael Kolios說：「這可能為研究基因調控開闢一條全新的道路。」

已知細胞不斷地打開和關閉基因。為了了解細胞活性，研究人員可以對它們進行基因修飾，即：當它們激活特定的基因時還可以產生髮光的蛋白質，例如綠色螢光蛋白（GFP）。雖然這種方法對培養皿中的細胞效果很好，但來自這些蛋白質的光不會在體內傳播很遠，因此很難追蹤組織和器官內的基因活動。

研究通訊作者、加州理工學院化學工程師Mikhail Shapiro說：「超聲波通過從人體結構反射高頻聲波來產生圖像，為我們提供了解決方案。這種非侵入性技術在深入觀察組織方面真的很棒！」

但是單個細胞太小，無法與大多數超聲頻率區分開。這就是為什麼Shapiro和他的團隊轉向水生細菌的原因。這些水生細菌會產生能反射聲波的微小氣泡。在細胞內部，氣泡增加了反射回設備的聲波數量，從而使宿主細胞可被檢測到。

超聲圖像顯示基因在小鼠腫瘤邊緣是活躍的。圖片來源：Science

去年，包括Shapiro和生物工程師Arash Farhadi在內的一個團隊將11個產生氣泡的基因插入腸道細菌中，然後將修飾後的微生物注入小鼠腸道。使用小型超聲波探頭，科學家們可以精確定位動物腸道中的細菌簇。

事實證明，在哺乳動物細胞而非細菌中使用同樣的技術會更加困難。細菌基因的功能與動物的不同，因此很難將如此多的細菌基因插入哺乳動物細胞並使它們協同工作。例如，多個細菌基因通常共享一個啟動子，即功能類似開關一樣的DNA序列，但每個哺乳動物基因都有自己的啟動子。Farhadi和Shapiro等人發現了幾種變通方法。他們發現，通過將幾個細菌基因與來自病毒的蛋白質結合在一起，他們可以誘導哺乳動物細胞使用一個啟動子激活基因。插入9個細菌基因可以誘導培養皿中的人腎細胞產生充滿氣體的蛋白質納米結構（氣泡）表達。含有氣泡的細胞產生了超聲造影劑，在超聲下顯現，而對照細胞則沒有。

為了測試這些細胞在動物體內是否可見，研究人員將這些基因轉移到經過病毒改變的人腎細胞中，然後將其注入到小鼠體內。這些細胞導致腫瘤在齧齒動物中萌芽。當研究人員用GFP觀察腫瘤時，它們以綠色斑點的形式出現。超聲提供了更精確的圖像，表明只有腫瘤邊緣的細胞才打開產生氣泡的基因。

Farhadi說：「你可以在動物中看到這種美麗的表達模式。」

加拿大多倫多Sunnybrook健康科學中心的放射腫瘤學家Gregory Czarnota說：「這是一種探測細胞中基因表達的靈巧聲學方法。」

但他和其他科學家一致認為，研究人員需要解決一些問題才能使這項技術廣泛應用。例如，Salk生物研究所的神經科學家Sreekanth Chalasani說：「該團隊的基因工程方法很複雜，我很想現在使用它，但如果能有更簡單的方法來植入這些基因，我會嘗試的。」

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