2022-03-27

Sci Adv |小分子荧光探针对癌细胞染色质进行超微结构可视化

原创 图灵基因 图灵基因 2022-03-27 07:03

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研究人员开发了一种新的荧光标记，可以更清楚地显示癌细胞中DNA结构是如何被破坏的。这一发现可能会改善患者的癌症诊断。

他们的研究结果发表在《Science Advances》上的一篇题为“Ultrastructural visualization of chromatin in cancer pathogenesis using a simple small-molecule fluorescent probe”的论文中。

“以分子级分辨率成像染色质组织仍然是基础研究和转化研究的一项重要工作。”研究人员写道，“随机光学重建显微镜（STORM）是一种强大的超分辨率成像技术，可将纳米级的分子结构可视化至约20至30 nm的分辨率。尽管在细胞和模型系统染色质组织成像方面取得了重大进展，但其在评估病理组织方面的常规应用仍然有限。”

STORM成像的荧光探针 适合用于暴风模式相关的超分辨率方法的荧光探针具有非常高的亮度和对比度的水平，在光漂白前，每个分子的光子产生的数目最大化，或返回到一个黑暗的，非荧光的状态。除了高亮度水平和光控稳定性的要求，超分辨率探针必须是能够拟定精度高的亚细胞目标化，他们应该具有尽可能低的背景噪声水平。荧光蛋白，混合动力系统相结合的一种基因编码的目的肽与一个单独的合成染料膜渗透物的组件，高度特异性的合成荧光团（如MitoTrackers LysoTrackers SYTO荧光团）能靶向蛋白复合体或细胞器。

“我的实验室专注于开发显微技术来可视化不可见的事物。”资深作者、匹兹堡大学医学与生物工程系副教授Yang Liu博士说，“我们是首批探索超分辨率显微镜在临床领域的能力的团队之一。之前，我们提高了超分辨率显微镜在临床癌症样本分析中的通量和稳健性。现在，我们有了一种易于使用的DNA染料，这解决了将这项技术应用于患者护理的另一个大问题。”

在细胞核内，DNA链像串珠一样缠绕在蛋白质周围。病理学家通常使用传统的光学显微镜来观察这种DNA-蛋白质复合物或染色质的破坏，作为癌症或癌前病变的标志物。

“虽然我们知道在癌症发展过程中染色质在分子水平上发生了变化，但我们还不能清楚地看到这些变化是什么。这让我困扰了10多年。”同时也是UPMC希尔曼癌症中心成员的Liu说，“为了提高癌症诊断水平，我们需要更高分辨率的核结构可视化工具。”

Liu和她的团队制定了一种名为Hoechst-Cy5的新标签，以克服荧光染料在DNA或处理过的临床癌症样本中效果不佳的障碍。

在证明新标签比其他染料产生的图像分辨率更高后，研究人员比较了来自正常、癌前病变和癌性病变的结直肠组织。

图像显示，随着癌症的进展，染色质变得不那么密集，核边缘的致密结构被严重破坏。虽然这些发现表明新标签可以区分正常组织与癌前病变和癌变病变，但Liu说，超分辨率显微镜不太可能取代传统显微镜进行此类常规临床诊断。相反，这项技术可能会在风险分层方面大放异彩。

为了了解染色质结构是否能提供有关未来癌症风险的线索，Liu和她的团队对Lynch综合征患者进行了评估。Lynch综合征是一种可遗传的疾病，会增加包括结肠癌在内的多种癌症类型的风险。他们研究了无Lynch综合征的健康人和有或无癌症病史的Lynch患者的非癌性结直肠组织。

“我们在这一群体中看到了更大的分布，这非常有趣。”Liu说，“有些患者与健康对照组相似，有些患者更接近之前患有癌症的Lynch患者。我们认为染色质开放程度较高的患者更容易患上癌症。我们需要跟踪这些患者一段时间来衡量结果，但我们非常兴奋的是，正常细胞中的染色质破坏可能会预测癌症风险。”

在未来的研究中，Liu和她的团队对检测Lynch患者子宫内膜组织中的染色质结构感兴趣，这些患者也有较高的子宫内膜癌风险。研究人员最近还获得了资金，用于研究吸烟者的痰液样本，以便早期发现肺癌。

“我们展示了超分辨率染色质成像在提供恶性转化中核结构的新生物学见解以及使用纳米级染色质结构对患癌症风险较高的患者进行风险分层方面的潜力。这种方法为探索超分辨染色质结构对各种疾病的生物学和临床意义开辟了新的机会。”研究人员总结道。

影响STORM成像分辨率的因素

STORM，PALM，FPALM等超分辨单分子成像中，影响实际结果的因素有很多。其中的关键方面是，每个单独的定位测量的准确度，已被定位在最终图像中（通常被称为分子密度）的探针的密度，和标签本身的物理尺寸。分辨率和单分子定位精度之间的关系是很容易确定。两个荧光分子作为单独的实体的位置定位的精度。反过来，定位的精度，主要是依赖于单个激活-去激活周期收集的荧光分子的光子数。