适用于全身成像的显微镜细胞标记方法

身体内通常隐藏在眼睛之外的过程和结构可以通过医学成像变得可见。科学家们使用成像来研究细胞和器官的复杂功能，并寻找更好地检测和治疗疾病的方法。在日常医疗实践中，来自身体的图像有助于医生诊断疾病并监测治疗是否有效。为了能够描绘身体中的特定过程，研究人员正在开发用于标记细胞或分子的新技术，以便它们发出可以在体外检测到并转换为有意义的图像的信号。明斯特大学的一个研究小组现已采用目前在显微镜中使用的细胞标记策略——即所谓的 SNAP-tag 技术——用于正电子发射断层扫描 (PET) 的全身成像。

该方法分两步标记细胞，适用于完全不同的细胞类型，例如肿瘤和炎症细胞。首先，对细胞进行基因改造，使其表面产生一种所谓的 SNAP-tag 酶，这种酶是靶细胞独有的。然后使酶与合适的 SNAP-tag 底物接触。底物用信号发射器标记并具有化学结构，以便它被酶识别和分解，从而使信号发射器转移到酶上。在此过程中，酶被修饰，使其不再具有活性，因此信号发射器与其紧密耦合。据研究人员称，SNAP-tag 酶通过其生物活性来标记自身——这种情况发生得非常快，而且不会干扰生物体的自然过程。

在显微镜中，荧光染料用于标记细胞，但它们大多不适合全身成像，因为它们的信号被较厚的组织层散射，导致无法再被测量。为了解决这个问题，科学家们使用放射性信号发射器fluorine-18合成了一种新的SNAP-tag底物。该团队通过将这种底物通过血流注入生物体，成功地标记了小鼠体内的肿瘤细胞。然后他们能够使用 PET 成像可视化肿瘤。

这项技术开辟了用不同成像方式和不同时间阶段可视化体内基因编码细胞的前景——研究人员称之为多尺度成像。虽然来自 fluorine-18 的放射性信号只能在短时间内保持稳定，但可以重复第二个标记步骤，因此可以在数天和数周内一次又一次地观察相同的细胞。

显微镜提供的高水平细节使得研究单个细胞如何相互交流成为可能。全身成像提供的全局视图使科学家能够评估这些细胞如何作为整个器官系统的一部分发挥作用。时间可能会揭示单个细胞类型在炎症中的作用，例如，当它开始、持续和消退时。研究人员表示，通过结合所有这些信息，我们可以了解身体中的一切是如何相互联系的。

下一个关键步骤将是测试需要多少细胞才能获得足够强的信号，以及该方法是否也可用于可视化在生物体内移动的细胞——特别是免疫系统细胞。如果该方法继续被证明是成功的，那么该技术可能对未来的免疫疗法研究变得重要，其中人体自身的免疫细胞在实验室中进行基因改造，以便它们能够对抗特定疾病。这种疗法已经被用于癌症治疗，并且也有可能帮助治疗炎症性疾病。成像可以帮助开发和改进此类治疗方法。

当科学家们在一次科学研讨会上首次展示他们的研究结果时，他们大吃一惊——来自蒂宾根的同事们同时在那里展示了一项类似的研究。彼此独立，两个研究团队都有相同的基本思想，即标记有 fluorine-18 的 SNAP-tag 底物。从化学上讲，他们以不同的方式实现了这个想法，但他们使用相同的生物模型系统测试了得到的底物，并得出了相似的发现。图宾根团队正在开发新的标记方法来研究癌症中的免疫细胞，而明斯特的团队则专注于炎症性疾病，因此研究相得益彰。

与所有 SNAP-tag 底物一样，新开发的分子基于苄基鸟嘌呤，科学家将放射性同位素氟 18 附着在苄基鸟嘌呤上，这反过来又非常适合 PET 成像。目标是通过几个快速步骤设计合成，以获得尽可能强的信号。由于氟 18 的半衰期短，其放射性每 110 分钟减少一半。最初，科学家们发现 fluorine-18 没有附着在分子上所需的位置上。苄基鸟嘌呤显然过于敏感，不能直接用氟 18 标记。因此，研究人员首先标记了一种对必要的化学反应不敏感的小分子——氟乙基叠氮化物——然后通过点击反应将其连接到苄基鸟嘌呤上，这种反应非常快速且具有选择性。

科学家们首先检查了合成底物在与试管中的血液接触时是否保持稳定，然后在细胞培养的第一次实际测试中检查了细胞如何与底物相互作用。在这样做的过程中，他们将基因掺入了 SNAP-tag 酶的人类肿瘤细胞与不产生这种酶的人类肿瘤细胞进行了比较。他们可以非常清楚地看到，放射性仅被产生 SNAP-tag 酶的细胞吸收。最后，该团队对个体小鼠进行了有针对性的研究，因为无法在细胞培养或人工制造的器官中完全模拟分子在活体复杂生物环境中的行为。科学家们能够证明，一旦将底物注入血液中，它就会非常迅速地分布在全身。此外，他们确定了它的排泄途径。然后，他们比较了带有和不带有 SNAP-tag 酶的肿瘤细胞如何与活生物体中的底物发生反应。为此，将肿瘤细胞注射到小鼠皮下，检查后再次取出，以用放射自显影确认结果。