宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组称，一种看起来像气泡的微小分子结构可能会显著改善医学成像。这些结构被称为气体囊泡(GVs)，是由某些微生物自然产生的，负责控制微生物在水中的浮力。研究人员可以通过基因工程改造人类细胞来产生这些气体囊泡，从而产生一种超声造影剂，能够以单个细胞的分辨率显示深层组织结构。
问题是制造这种细胞的过程既昂贵又艰难。为了简化这一过程，宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和生物学副教授Lance Lian带领一个团队开发了一种更有效的方法。他们的研究成果发表在《生物工程与转化医学》杂志上。
该论文的共同通讯作者Lian说:“我们的方法的伟大之处在于，它不需要繁琐而耗时的单细胞克隆和分选方法。”“相反，我们可以使用混合细胞，仍然可以获得强大而可靠的超声对比。”
在本研究的背景下，“单细胞克隆”是指分离和培养经过特定遗传修饰的单个细胞的劳动密集型过程，例如将所需的基因整合到生产gv中。研究人员通常这样做是为了确保他们所研究的细胞群具有统一的遗传特征。
为了从这个过程中消除这个复杂的步骤，该团队的方法依赖于三种特定的DNA结构，当它们被整合到细胞的遗传物质中时，促进了负责产生gv的基因的表达。
DNA结构是指携带特定遗传指令的工程DNA片段。在这项工作中，研究人员设计了DNA结构作为遗传模板，指导细胞产生形成gv所需的成分。
研究人员还将一个类似时钟的系统，称为“强力霉素TET-On 3G系统”整合到这些DNA结构中。它会在正确的时间触发细胞内gv的产生。
除了这种精确的定时机制外，研究小组还通过向每个DNA结构中添加独特的耐药基因，对这三种DNA结构进行了定制修改。当研究人员用药物治疗细胞群时，任何没有成功结合所有三种DNA结构的细胞都死亡了。这种被称为“药物选择”的方法使得分离出一组可以产生gv的基因修饰细胞成为可能。
Lian说，这样一来，之前要求苛刻且复杂的单细胞克隆过程就变得不必要了。
“我认为这是一个经典的例子，当生物学变得困难时，如果你在你感兴趣的基因的下游加入一个耐药基因，它会让事情变得更容易，”Lian实验室的博士生、论文的第一作者亚历山德罗·豪威尔斯(Alessandro Howells)说。他解释说，通过添加耐药基因，他们基本上标记了能够产生gv的细胞。
Lian说，他可以想象，现在生产它们的过程更有效，未来gv将在治疗性医疗干预中得到应用。
自从2014年科学家们发现这种技术成为可能以来，他们一直在探索将gv与超声波应用相结合的方法。超声波利用声波对生物组织成像。当声波碰到密度不同的物体时，比如骨头，一些声音就会反弹回来，超声波系统就能确定物体的深度，从而绘制出内部解剖图。这种成像方法是非侵入性的，不会使组织暴露在辐射下。
根据Lian的说法，gv有一天可能会取代目前唯一被临床批准的超声剂——微泡。微泡比红血球还小，太大而不能用于分子成像。Lian说，由于它们的体积小得多，gv可以用作生物造影剂，用于组织深处的成像，使研究人员能够对单个细胞进行非侵入性的结构可视化。
当gv受到超声波的冲击时，它们会改变形状。这些弯曲的gv发出的信号可以用超声波系统检测到，研究人员可以准确地看到这些细胞的位置。根据Lian的说法，GV方法的非凡之处在于，即使细胞嵌入几厘米深，它也可以成像。
Lian说:“想象一下，如果我们可以使用这项技术来监测移植的治疗细胞是否仍在体内，”他指的是用于替换或补充体内功能失调细胞的细胞，比如他的团队开发的用于治疗1型糖尿病的胰腺细胞。
“有时它们会被身体的免疫系统破坏，我们只需要等待，看看治疗是否无效。有了gv，我们可以通过超声成像持续监测细胞，并实时监测治疗干预。我认为这项技术将在生物医学研究中有巨大的应用。”
研究人员通过非营利性质粒库addgene提供了他们的构建，使来自世界各地的研究人员能够访问他们的工作。
