剝開癌細(xì)胞的“畫皮”

張曄

近期，接二連三有公眾人物因?yàn)榘┌Y突然離世，令人扼腕的同時也引發(fā)熱議：我們該如何更早地發(fā)現(xiàn)癌癥，從而獲得盡早治療的機(jī)會呢？

“看穿”細(xì)胞內(nèi)分子的細(xì)微變化

如果把人體內(nèi)的細(xì)胞比作廣場上的許多人，表面上看起來他們都很正常，但是其中有些人的內(nèi)心已經(jīng)起了變化，就像是一群“潛伏者”，一旦時機(jī)成熟，就會興風(fēng)作浪。

癌癥等疾病在早期時，人體不會有任何癥狀，如果按照一般的檢測手段，相當(dāng)于從外觀的角度透視或放大人體組織器官，很難“看穿”細(xì)胞內(nèi)分子的細(xì)微變化。

一直以來，科學(xué)家苦苦尋找能在早期辨別出這些“潛伏者”的有效方法。從20世紀(jì)80年代起，依靠科學(xué)儀器對細(xì)胞內(nèi)的分子變化情況進(jìn)行精準(zhǔn)探測，并用化學(xué)分析的方法得出判斷結(jié)果，逐漸成為一種全新的檢測手段。

前段時間，中科院院士、南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院陳洪淵教授團(tuán)隊(duì)，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了在納秒及納米尺度上對單個活細(xì)胞內(nèi)生物分子化學(xué)反應(yīng)過程的分析工作，可精準(zhǔn)測量單個細(xì)胞內(nèi)分子的動態(tài)變化。也就是說，我們有望對早期病變細(xì)胞進(jìn)行檢測，剝開癌細(xì)胞的“畫皮”，從而去幫助臨床大夫進(jìn)行診療。相關(guān)研究發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》等一系列國際一流刊物上。

“人是由細(xì)胞組成的，其中有復(fù)雜的變化過程，我們希望從源頭追究細(xì)胞中的各種化學(xué)反應(yīng)。”陳洪淵說，癌細(xì)胞是善于偽裝自己的，這個儀器可以在細(xì)胞病變的最早期，對正常細(xì)胞和病變細(xì)胞進(jìn)行有效的識別，以做出一些有價(jià)值的判斷。

這個方法的基本原理就是用納米尺寸大小的探針，深入單個活細(xì)胞中，利用探針表面的識別物或輸送進(jìn)去的檢測試劑去尋找特定的分子。“就像在一群人當(dāng)中尋找穿紅色衣服的人。”研究團(tuán)隊(duì)的主要成員之一、南京大學(xué)教授江德臣說。

如同在納米管中流過十億分之一的小水珠

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，任何物質(zhì)都是由極微小的粒子及分子組成的，細(xì)胞也不例外。這些微小顆粒分為細(xì)胞器、囊泡和分子。其中，細(xì)胞器中的化學(xué)變化支配著細(xì)胞的活動。

一般來說，細(xì)胞的平均直徑在10～30微米之間，而一個細(xì)胞器的直徑僅為50～100納米。想要在如此小的尺度上對其包含的分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的檢測，可以說極為困難。

“我們設(shè)計(jì)的納米探針，根據(jù)檢測目標(biāo)物的不同，會在探針上修飾不同的識別物，可以特征性地去識別一些分子。”陳洪淵介紹說，這就可以獲取被檢測區(qū)間中更加翔實(shí)的分子信息。

為了實(shí)現(xiàn)對于復(fù)雜生物分子的檢測，科研人員把對應(yīng)的檢測試劑輸送到細(xì)胞中。向細(xì)胞內(nèi)如此狹小的空間進(jìn)行精準(zhǔn)、定量的物質(zhì)輸運(yùn)是一個難題，此前也沒有成熟的技術(shù)可供借鑒。

經(jīng)過多次研討，項(xiàng)目組利用“溶液可在電場作用下在納米管中流動”的原理，實(shí)現(xiàn)了將這些試劑通過探針定向輸運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的指定位置。

由于輸運(yùn)溶液的體積只有“飛升”，即僅相當(dāng)于一滴水的十億分之一，該采用多大電壓？如何觀測這樣微小的液滴？研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，又查閱了大量的資料，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)論證，終于在多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)后穩(wěn)定地獲得了從納米毛細(xì)管內(nèi)精準(zhǔn)排出的液體，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使之在分析時不會干擾細(xì)胞自身的活性。

相當(dāng)于在細(xì)胞里做一次化學(xué)實(shí)驗(yàn)

目前，國際上的相關(guān)檢測通常做到200納米級分辨的觀測，而陳洪淵團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了50納米級分子化學(xué)反應(yīng)的分析工作。

“我們成功地實(shí)現(xiàn)了將‘飛升體積的分析溶液輸運(yùn)到目標(biāo)區(qū)域，并在國際上率先實(shí)現(xiàn)了對單個細(xì)胞器中蛋白活性的定量電化學(xué)分析。”江德臣介紹說，這項(xiàng)研究的先進(jìn)性在于提高了單細(xì)胞分析的空間識別能力，就好比原來拍一個東西得到的照片是512×512像素，現(xiàn)在發(fā)明了可拍攝更高像素（如2048×2048）的工具，可以看得更加清楚。