细胞放大镜： 剥开癌细胞的“画皮”
张 晔
2018年11月20日 来源：科技日报
根据《全球癌症报告》显示，2018年全球预计新增1810万例癌症病例，死亡人数达960万。而在中国，癌症已成为中国城市居民的头号杀手。目前，我国癌症发病率接近世界平均水平，但死亡率高于世界水平。世界卫生组织专家认为，早诊早治是关键。
近日，中科院院士、南京大学化学化工学院陈洪渊教授团队，在国际上率先实现了在纳秒及纳米尺度上对单个活细胞内生物分子化学反应过程的分析工作，可精准测量单个细胞内分子的动态变化。也就是说，有望对早期病变细胞进行检测，剥开癌细胞的“画皮”，从而去帮助临床大夫进行诊疗。相关研究发表在《美国科学院院报》等一系列国际一流刊物上。
“看穿”细胞内分子的细微变化
如果把人体内的细胞比作广场上的许多人，表面上看起来他们都很正常，但是其中有些人的内心已经起了变化，就像是一群“潜伏者”，一旦时机成熟，就会兴风作浪。
癌症等疾病在早期时，人体不会有任何症状，如果按照一般的检测手段，相当于从外观的角度，透视或放大人体组织器官，很难“看穿”细胞内分子的细微变化。
一直以来，科学家苦苦寻找能在早期辨别出这些“潜伏者”的有效方法。从上世纪80年代起，依靠科学仪器对细胞内的分子变化情况进行精准探测，并用化学分析的方法得出判断结果，逐渐成为一种全新的检测手段。
“就像一个人，我们不仅要了解他的容貌、身高、体重，还要了解他的性格。”研究团队的主要成员之一、南京大学江德臣教授打了个比方。
“人是由细胞组成的，其中有复杂的变化过程，我们希望从源头追究细胞中的各种化学反应。”陈洪渊说，癌细胞是善于伪装自己的，这个仪器可以在细胞病变的最早期，对正常细胞和病变细胞进行有效的识别，以做出一些有价值的判断。
这个方法的基本原理就是用纳米尺寸大小的探针，深入到单个活细胞中，利用探针表面的识别物或输送进去的检测试剂去寻找特定的分子，“就像在一群人当中寻找穿红色衣服的人”，江德臣说。
在南京大学生命分析化学国家重点实验室，科技日报记者看到，这套“单细胞高时空分辨分子动态分析系统”，由诸多分析模块相接组合，占据了一整间约120平米的实验室。“我们这套测量系统通过综合电化学、光学、质谱检测手段，可以探知细胞内的化学变化。你可以把它看作是‘化学显微镜’‘细胞放大镜’，它可以给各种细胞贴上分子标签。”陈洪渊介绍到，我们要从实验观测到的结果，想方设法剥开癌细胞的“画皮”，从而去帮助临床大夫进行诊疗。
纳米管中流过十亿分之一的小水珠
科学研究发现，任何物质都是由极微小的粒子及分子组成的, 细胞也不例外。这些微小颗粒分为细胞器、囊泡和分子。其中，细胞器中的化学变化支配着细胞的很多活动。
一般来说，细胞的平均直径在10—30微米之间，而一个细胞器的直径仅为50—100纳米。想要在如此小的尺度上对其包含的分子进行化学反应的检测，可以说极为困难。
“我们设计的纳米探针，根据检测目标物的不同，会在探针上修饰不同的识别物，可以特征性地去识别一些分子。”陈洪渊介绍说，这就可以获取被检测区间中更加详实的分子信息。
为了实现对于复杂生物分子的检测，科研人员则把对应的检测试剂输送到细胞中。向细胞内如此狭小的空间进行精准、定量地物质输运是一个难题，此前也没有成熟的技术可供借鉴。
经过多次研讨，项目组利用“溶液可在电场作用下，在纳米管中流动”的原理，实现了将这些试剂通过探针定向输运到细胞内的指定位置。
由于输运溶液的体积只有“飞升”，即仅相当于一滴水的十亿分之一，该采用多大电压？如何观测这样微小的液滴？研究团队在设计好实验方案的基础上，又查阅了大量的资料，通过反复的实验论证，终于在多次反复实验后稳定地获得了从纳米毛细管内精准排出的液体。并在此基础上，进一步优化实验参数，使之在分析时不会干扰细胞自身的活性。
相当于在细胞里做一次化学实验
目前，国际上的相关检测通常做到200纳米级分辨的观测。而陈洪渊团队实现了50纳米级分子化学反应的分析工作。
“我们成功地实现了将‘飞升’体积的分析溶液输运到目标区域，并在国际上率先实现了对单个细胞器中蛋白活性的定量电化学分析。”江德臣介绍说，这项研究的先进性在于提高了单细胞分析的空间识别能力，就好比原来拍一个东西得到的照片是512×512像素，现在发明了可拍摄更高像素（如2048×2048）的工具，可以看得更加清楚。
在上世纪80年代，陈洪渊就开始探索针对生命分析时空分辨的方法、技术和装置。进入21世纪后，他带领的团队在之前的基础上，开始对生命活动过程中的分子含量及其变化进行探测，开拓生命分析化学研究新领域。
“一个细胞就是一个小宇宙。”在一般人看来，细胞是小到极致，宇宙是大到极致，而在陈洪渊看来，小与大是一个辩证的概念。把细胞看成一个大东西以后，所有宏观上的工具便都可以运用于此。所需要做的只是把工具做小，和细胞匹配。
目前，人类对于细胞分子的检测手段也日益丰富，除了这种“单细胞高时空分辨分子动态分析系统”之外，还有一种超分辨显微镜也获得长足发展。
“两者都可以实现对好细胞和坏细胞的区分。细胞中的分子信息包含物理信息（如分布及其含量等）和化学信息（如氧化/还原活性及动力学参数等），这些信息都是评估细胞的重要参数。超分辨显微镜是基于荧光或者其他光学检测手段，主要实现对生物分子的分布、含量等物理信息的读取，空间分辨率已达10nm（纳米）。我们的仪器特点在于对细胞内分子的化学信息的获取。同时，我们综合了电化学、光学和质谱的信息，获取的信息量比超分辨显微镜会更加丰富一些。”陈洪渊说，我们的仪器和超分辨显微镜各有所长，互为补充。
目前，陈洪渊团队的研究还在不断探索深入中。据介绍，团队目前正在研究通过仪器获取单个活细胞内多种“标志物”动态变化的分子测量系统，实现对单个循环肿瘤细胞中多种癌症“标志物”的检测，解决当前单一“标志物”可信度低的问题。
