计算化学成像揭示了活细胞和生物体令人眼花缭乱的分子细节
计算机和机器学习 是 启用成像功能曾经被认为是“不可能的”
Kat J. McAlpine著
二十多年来，程吉欣（Ji-Xin Cheng）一直决心开发一种新的方法，以更深入地观察生物学——一种不依赖于染料来照亮细胞和组织内部的方法。
为了在分子水平上可视化细胞内发生的事情，科学家们长期依赖于一种称为标记的技术。通常，这一过程需要定制荧光染料——暴露在显微镜下会发光的蛋白质——附着在特定的分子、细胞或感兴趣的蛋白质上。一个历史上流行的标签是一种被称为绿色荧光蛋白（GFP）的染料，它在蓝光和紫外线下发出绿色的光。它最初是在一种生物发光水母中发现的，后来科学家将其改造成一种“看到”细胞和组织内部细节的工具。
Cheng是波士顿大学工程学院（ENG）教授和光子学中心的教员，他说，尽管绿色荧光蛋白和其他标记染料对生物学澳门威尼斯人注册网站研究做出了巨大贡献，但它们能揭示的生命内部运作细节有限。这是因为这些荧光标签的大小——在分子尺度上——通常比它们设计用来照亮的结构要大得多。它们是如此之大，以至于虽然它们可以充分识别特定生物特征的存在，但它们模糊了目标的确切位置、形状和其他复杂的细节。
相反，Cheng对在不需要荧光染料的情况下观察生物样品的化学键很感兴趣。
“如果我们能利用每个分子内固有的化学键来可视化生物学，我们就能在不依赖标记的情况下获得更好的分子信息，”Cheng说。“但这是一项非常困难的任务，因为我们从化学键中捕获的信号比荧光染料的发光弱很多个数量级。几年前，人们认为这是不可能做到的——但这一直是我职业生涯的核心梦想。”
现在，程的梦想正在成为现实。
创造化学物质之间的对比
2016年，程的团队发明了一种利用中红外光（在微波和肉眼可见的波长之间传播）精确加热细胞和小生物内某些化学键的新方法。当这些化学键在光线下升温时，温度的变化会在不同类型的化学物质之间产生视觉上的对比。利用光热成像技术，Cheng和他的团队能够在不使用传统标签的情况下看到细胞和整个秀丽隐杆线虫的3D分子图谱。他们的方法首次发表在2016年的《科学进展》杂志上，正如该团队最近在2023年12月的《自然通讯》上报道的那样，他们甚至可以捕捉到单个病毒中的超精细细节。
然而，为了捕获中红外光热图像，使用激光逐点扫描样品可能需要长达20分钟的时间。“它还不够快，无法实时捕捉活细胞的3D图像，”程说。“这就是计算进入画面的地方-我们正在推动化学成像的极限。”
他与田磊合作，田磊是波士顿大学工程系的助理教授、光子学中心的教职员，也是计算成像系统实验室（CISL）的主任。两人和他们的澳门威尼斯人注册网站研究小组正在共同开发一种新的成像技术，称为键选择强度衍射断层扫描（BS-IDT）。（参见相邻的文章“当尖端显微镜遇到深度学习算法”，其中介绍了田的澳门威尼斯人注册网站研究）。
他们的方法是使用一个红外激光器和16个可见光谱激光器，从不同的角度照射样品，刺激细胞和生物体分子结构内的化学键，改变它们的温度和这些化学键折射光线的方式。一旦检测到这些特征，计算算法就会将所有16个角度的信息结合起来，以确定化学键的确切3D位置。
结果呢?对样品分子组成的高度详细的3D数字重建。2022年，他们在《自然通讯》上发表了第一篇BS-IDT澳门威尼斯人注册网站研究，揭示了秀丽隐杆线虫体内与癌症相关的脂质（对所有有机生命都至关重要的脂肪化合物）的分布。
“了解脂质在哪里以及它们如何随时间变化，可以告诉我们有关生物体衰老和发育的新信息，”Cheng说。它可以揭开引发并传播癌症和其他疾病的分子相互作用的神秘面纱。
离实时成像越来越近了
Cheng和Tian正在努力提高他们的BS-IDT方法的速度，使其达到实时“视频速率”。他们的工作吸引了大量的支持。在“陈-扎克伯格倡议”130多万美元的资助下，他们正在创造仪器和算法，使他们能够以每秒30次捕获的速度捕获（然后通过计算重建）活体样本的无标签分子图谱。以这样的速度，一旦进行数字化重建，就像在你眼前观看一场高分辨率的生物分子活动波动的电影。
除了癌症，Cheng还渴望使用BS-IDT来澳门威尼斯人注册网站研究与阿尔茨海默病有关的tau蛋白。tau蛋白在脑组织内的积累和聚集与阿尔茨海默病的发生和发展密切相关。像其他蛋白质一样，当它们聚集时，tau蛋白的形状和功能会发生变化。
用传统的成像方法，这种分子结构的变化是不可能看到的。Cheng和Tian的BS-IDT方法利用比传统荧光染料分子小100倍的化学键，可以识别像tau这样的蛋白质的精确结构。他们希望BS-IDT可以用来检测和监测阿尔茨海默氏症和其他疾病发病时有问题的蛋白质是如何开始聚集的。这些见解可能会改变治疗澳门威尼斯人注册网站研究和开发的游戏规则。
Cheng说：“这可能会改变药物筛选和开发。”
甚至点亮了最稀有的分子
Cheng的实验室还在开发另一种计算化学成像技术；即使在极低浓度的情况下，它也能很好地观察到感兴趣的分子。
“在细胞中自然发现的许多分子或通过药物引入的许多分子在细胞和组织中的浓度非常低，”Cheng说。“通过我们的新方法，我们可以绘制出这些低浓度分子，甚至可以看到特定的氨基酸，例如，揭示细胞内分子的代谢和交通。”
成像技术通过拉曼散射探测化学键特征，拉曼散射是指光以区域方式散射不同类型的分子。每个化学键的这些不同的光散射特征可以用显微镜检测到。自2000年以来，Cheng一直在使用一种称为相干拉曼散射显微镜的技术来实现活细胞的高速键选择成像。
“然而，由于拉曼散射是一种非常微弱的效应，相干拉曼散射显微镜的灵敏度还不足以看到细胞内低浓度的分子，”程说。
Cheng解释说，在高速下，拉曼散射显微镜可能相当“嘈杂”。“我们怎么知道哪些信号是随机的，哪些不是？”我们正在使用机器学习来帮助我们区分真实信号和噪声，最终实现高速和高信噪比。”
这种方法得到了美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院（National Institutes of Health）的R01拨款支持，它依赖于一种机器学习算法，该算法使用数百张高速相干拉曼散射显微镜图像进行训练。程的团队于2021年在《自然通讯》上报告了他们的技术。
从观察到探索
Cheng说，计算化学成像背后的原理也可以用于不同的应用——不仅仅是看到化学键的精确位置，激光激发可以用来激活特定的化学物质。
最近，他们将其应用于澳门威尼斯人注册网站研究蛋白质磷酸化，这是一种化学过程，磷酸盐附着在细胞内的蛋白质上。“这会导致癌症和许多其他疾病，”程说。“要实时看到它是非常困难的——我们设计了一个探针来去除磷酸盐，触发化学化学键的光衍射变色龙一样的位移，然后我们可以在显微镜下看到。”
Cheng说，与传统的分子探针相比，使用化学键作为探针具有关键优势。首先，它们非常小而且精确。而且，当细胞内的目标化学键响应外部化学物质的探测而发生转变时，它们的转变非常剧烈，产生了一个可以被清楚地检测和解释的强烈信号。
Cheng说，由于合作和跨学科的观点，所有这些有前途的计算化学成像应用都是可能的。他的实验室与田的团队位于光子学中心的同一层楼。他说：“我们每天都见面，这有助于我们始终解决问题并继续前进。”