在亚细胞水平上分析细胞作用具体机制

研究人员开发了一种新的pH探针和成像技术，为研究人员在研究癌症和阿尔茨海默氏症等疾病时提供更多信息。

　　

辛辛那提大学(University of Cincinnati)的癌症生物学家开发了一项新技术和一项新的成像技术，这将帮助研究人员在研究癌症和神经退行性疾病的发展时，收集更详细的数据点，并更精确地观察细胞的细节。

加州大学医学院癌症生物学系副教授Jiajie Diao博士最近在《先进保健材料》杂志上发表了一篇文章，详细介绍了这一进展。

新的调查

Diao教授的一些研究集中在细胞内一个叫做溶酶体的微小部分，它参与细胞过程。溶酶体是一种“细胞器”，或在细胞内执行各种工作的特殊结构。同样，器官，如心脏、肝脏、胃和肾脏，都有特定的功能来维持有机体的生命，细胞器也有特定的功能来维持细胞的生命。教授的研究集中在溶酶体上，溶酶体作为细胞内的“回收中心”，帮助细胞将损坏或故障的积木用于不同的目的。

为了完成它的工作，溶酶体需要在酸性环境中，通常具有较低的pH值。然而，溶酶体内的pH值异常与细胞功能异常有关，可导致癌症和阿尔茨海默病等疾病。

为了研究pH值可以改变和影响溶酶体和细胞,迪奥和他的团队与Dojindo实验室和洁具的太阳,博士,副教授在加州大学的化学系,开发一种新的探测高度的溶酶体,是专门设计研究人员提供更多细节。Diao说，由此产生的“EC绿色”探针是下一代溶酶体探针，比目前的行业标准有几项改进。

顾名思义，探针是绿色的，当细胞环境变得更酸性时，它会变成更亮的绿色。这比目前不会改变颜色的探针提供了更多的信息，并且可以帮助研究人员确定酸度变化和细胞癌变之间的相关性。

Diao教授说，这种独特的探针能够对溶酶体动力学进行多维分析，包括空间、结构和pH值随时间变化的信息。

许多目前可用的探针附着在溶酶体内，Diao说，这就像在一个水球里放一根绳子。如果溶酶体破裂，探针就会被冲洗掉，并与溶酶体分离，从而使其不再用于跟踪目的。

相反，EC Green探针固定在溶酶体膜上。即使溶酶体破裂，它也会像一根绳子一样固定在它的位置上，就像一个破裂的气球的外面。

“所以它将非常稳定。你可以把它放在那里几天，”Diao说。“通常使用的商用探针将消失，但我们的探针将永远存在，因为它们受到外膜的保护。”

该探测器还专门设计发射大量光子，因此它可以承受高激光强度下的超分辨率成像。

“当你使用高强度时，大多数探针会使照片漂白。当你过于用力刺激某物时，它就会死掉。”Diao说。

Diao教授说，虽然它有很多优点，但该探测器最重要的一面是它的实用性。

EC Green对研究人员来说相对便宜，使用起来非常快速和方便。用探针对细胞进行染色约20-30分钟后，可将样品洗净置于显微镜下观察。

“它是如此简单，没有人会有问题使用它们，”他说。“这是我们开发新探测器时的另一个概念。我们不想让一切都变得如此困难;我们想要的是让一切变得更简单。”

研究人员已经在努力合作开发下一代EC Green，该产品将在不同酸度下由绿色变为红色，从而提供更多的pH值细节。他们希望能在2022年底前获得一项专利，并就这项新调查发表另一篇文章。

绘制细胞景观图

除了EC Green探针，他们还开发了一种新的成像技术，允许研究人员精确测量细胞内每个细胞器的距离、形状和位置。这有助于提供更多关于细胞器之间相互作用以及这些相互作用如何导致疾病发展的信息。

这项技术建立并使用超分辨率显微镜，它提供了亚细胞水平上更清晰的粒子图像。

“所以我们测量了溶酶体和线粒体等细胞器之间的相对距离，”Diao说。“我们发现，仅仅通过使用我们的超分辨率在细胞内进行简单的测量和绘图，我们就可以实现并发现细胞内许多未知的变化。”

在文章中描述的新测量技术的首次使用中，研究人员发现，当发展为退行性疾病时，细胞中负责能量生产和呼吸的细胞器线粒体会增大。

研究还发现，当线粒体受损时，溶酶体倾向于靠近线粒体。Diao教授说，进一步的研究可以帮助确定细胞器的大小和位置之间的关系是如何导致疾病的。

提高人工智能的能力

现在，测量成像技术已经被开发出来，Diao授说，该团队正开始与计算机科学家合作，利用人工智能的力量来增加它的使用。

Diao说:“如今，很多测量都是由人工和简单的算法完成的，所以我们仍然需要人力。”“我们正在开发人工智能，这种机器，这种智能试图通过机器来做所有事情。”

未来的希望是，一种算法可以用多种健康和患病细胞的图像进行训练，这样软件就可以分析细胞图像，然后预测细胞是否会癌变。

该技术与人工智能相结合，还可以用于研究药物治疗疾病的有效性，例如，看看是否有特定的细胞器导致患者对某种药物产生耐药性。

他说:“这将使我们的能力达到一个新的水平。”“目前，大多数人关注的是组织水平或更高的水平，但我们可以深入到亚细胞水平。”

由于从加州大学医学院和癌症生物学系购买了一台新的显微镜，辛辛那提大学或辛辛那提儿童医院医疗中心的任何研究人员现在都可以在未来的研究中利用Diao博士实验室的创新。

Diao教授说:“这就是我们正在努力的，让更多的人使用最先进的探测器和最先进的成像技术来进行他们的研究。”

Journal Reference:

1. Kangqiang Qiu, Ryo Seino, Guanqun Han, Munetaka Ishiyama, Yuichiro Ueno, Zhiqi Tian, Yujie Sun, Jiajie Diao. De Novo Design of A Membrane‐Anchored Probe for Multidimensional Quantification of Endocytic Dynamics. Advanced Healthcare Materials, 2022; 2102185 DOI: 10.1002/adhm.202102185