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不断扩大的“调色板”

已有 2150 次阅读 2013-12-13 15:05 |系统分类:科普集锦

不断扩大的“调色板”

作者:Jeffrey M. Perkel /文 高大海 姜天海/译


思考任何一种复合生物学技术:无论是反转录PCR(RT-PCR)、DNA测序,还是流式细胞术、显微技术,采用的原理都不尽相同。然而,它们都具有一个共同的因素:荧光。新的荧光分子、纳米粒子和蛋白层出不穷,扩展了生物实验法的“调色板”。
 
虽然学术期刊的版面已经填满了红色和绿色,但如今的研究者的确还有几十种色彩可供选择。这种多样性拓展了供科研界使用的应用程序和仪器的范围。荧光多重性的未来从未如此的光明。
 
美国国家过敏症与传染病研究所(NIAID)疫苗研究中心高级研究员Mario Roederer对荧光染料的未来与局限性有一定的理解。
 
近20年来,他一直从事T细胞的感染响应和疫苗的研究,一开始是作为斯坦福大学Len Herzenberg实验室的博士后,后来是NIAID某研究组的组长。在20世纪90年代初期到中期,Roederer回忆道,自己和同事在Herzenberg实验室利用流式细胞术,试图理解HIV-1感染对免疫系统的影响。
 
流式细胞术是免疫学实验室里的吃苦能手,研究者可以对细胞逐个进行分析,识别哪些会表达特定的细胞表面标记,哪些则不会进行表达,例如CD3、CD4和 CD8。研究人员甚至可以通过一种特殊流式细胞仪——细胞分选仪,分离和扩增他们所感兴趣的细胞群。但问题在于,当Roederer开始做博士后时,可供使用的荧光颜色尚不充足,无法细究繁杂缭乱的人类免疫系统。
 
“我们意识到,我们的缺陷之一在于不能充分地研究免疫系统。”他说道。
 
那时,流式细胞术局限于四色通道上,缺少可用、可分离的荧光标记,远远无法满足免疫细胞亚型的深入研究。但当Roederer离开实验室的时候,可用通道的数目已经增加到了12个,这是硬件、软件和免疫化学共同发展的结果。到了21世纪初,该数目达到了18个通道,这要归功于量子点公司(Quantum Dot公司,现在属于Life Technologies的一部分)使用的纳米粒子级量子点。
 
通过这些18色面板,Roederer的研究小组不仅能鉴定出感兴趣的细胞,而且还能探究它们的行为。“你仅仅需要6色或8色来鉴定细胞。”他解释说,“然后你需要使用其他的颜色,才能探究它们在做什么。”在近期的一篇论文中,Roederer实验室将干细胞样的记忆T细胞描述成CD45RO-、CCR7+、CD45RA+、CD62L+、CD27+、CD28+和IL-7R[α]+标记的T细胞“分组”下的CD95+、IL-2R[β]+、CXCR3+和LFA-1+标记的细胞亚群。
 
如今,Roederer的18色面板基本上代表了荧光流式细胞术的顶尖水平(总体荧光实验也是如此)。然而这种水平不会就此止步:新的荧光染料在接下来几年内会将它的多重性能力提高到25甚至30种,意味着他和其他的免疫学家未来可以在越发复杂的程度上梳理免疫细胞响应。然而,它的发展也没有遗忘使用其他荧光技术的研究人员:新研发的硬件和试剂正在为一系列生物学应用提供更高水平的多重性和灵敏度。
 
绝妙的新染料
 
Roederer的BD生命科学公司生产的LSRII仪器已经快被榨干了。但是为了从中挤出更多的色彩,他需要一些新的荧光团。于是,他开始使用来自于Sirigen公司(2012年8月被BD生命科学公司收购)的亮紫色染料(Brilliant Violet dyes)。
 
不同于纳米粒子的量子点和Life Technologies公司的AlexaFluors等小分子有机染料,Sirigen公司的荧光团实际上是捕光聚合物。它们依赖的导电性聚合物化学正是2000年诺贝尔化学奖所认可的一项技术,可以直接使用或“串联”使用,这样聚合物就不用通过辐射将它的能量传递给另一个染料,将其散发物进一步转变成红色。在过去的一年半中,这家公司研发并发布了一系列能被紫激光(407纳米)激活的7种荧光团,称作亮紫染料,能够在421到785纳米的波长间发射荧光。
 
据BD生命科学公司生物科学事业部副总裁Robert Balderas介绍,Sirigen的染料拥有优质荧光团所应该具备的优良品质,不仅不感光,还能耐受淬灭。而且最重要的是,它特别亮,可以达到10倍于藻红蛋白(phycoerythrin,PE)的亮度,是目前最亮的染料之一。这一点比较重要,因为特别是在流式细胞术分析中,诀窍在于结合染料的亮度与目标物的丰度。
 
为了标记一个高丰度的蛋白,研究者可以使用相对暗的染料,因为任何一个细胞上荧光团的绝对数目都会克服微弱的信号。但是对于稀少的蛋白,则最好使用高亮度的染料,而直到最近才出现几个可以使用的高亮度染料。Roederer说,现在至少多了一种——亮紫421。这个系列中其他染料的亮度也几乎一样。
 
“Sirigen染料的确出众。”Roederer感叹道,过去他用QDots系统绞尽脑汁地做出18个通道,还以为自己已经将荧光多重性做到了极致。但现在,他开始慢慢地将Sirigen染料注入细胞面板,循环取代QDots,产生的面板并没有之前的复杂,但却亮了许多,因而也更加敏感。
 
“因此,尽管我们的多重能力并没有随着新染料的加入而提高,但我们的灵敏度和精确度量的能力却大大提高了,提高的幅度是我在20年内都不曾见到的。”他说。
 
但新颜色的发展将极大地提高Roederer的多重性能力,比方说在光谱中紫外或光谱红色末端激活的聚合物。“我很乐观,在接下来的5年内,我们可以做到25个甚至30个色彩的检测,这简直是太棒了。”据Balderas介绍,Sirigen已经在努力扩展新的色彩。通过在个体激光器上发展多重颜色,将会极大地改变流式细胞仪的市场,同时进一步推动更高端的仪器发展。“如果我们能够在多重激光器上设置多种颜色,想象一下具有5个激光器的仪器可以发挥多大作用。”
 
基于微球的超级多重性
 
荧光多重性的另一个应用就是分析物定量。这方面最流行的工具则是Luminex公司的xMAP微球。
 
xMAP微球能够进行高度多重性、溶液法的ELISA实验。ELISA通常在微量滴定板的每个孔中分别检测单个分析物,xMAP技术使用荧光标记的微球,将多个孔集中成一个,并通过光学进行区分。
 
该实验过程的关键在于xMAP微球,微米级的聚苯乙烯球体装载着不同数量的两个或三个荧光染料。每种染料的精确数量可以作为该微球的荧光指纹,目前Luminex公司支持多达500个这样的指纹。
 
在一项xMAP的试验中,每个指纹与一个特定的生物标示物相关联。例如,在一个分析免疫细胞在血清中反应的面板中,可能有一个指纹与白介素-2的抗体相关联,第二个与白介素-4相关联,诸如此类。(另一套Luminex微球——xTAG微球,能够进行核苷酸水平的分析)。针对不同待检测分析物的微球混合在微量滴定板的一个孔中,并与生物样品一同孵育。抗体就能捕获它们特定的受体。然后在洗脱后,加入一种标记了二抗的混合荧光物,接下来就能够读取反应。
 
在传统的Luminex工作流程中,微球是在专门的仪器上读取的,主要是流式细胞仪,使用激光逐个审视每个微球,首先读取它的指纹——也就是鉴定受检测的分析物,然后是它结合的抗原丰度。然而,2010年,这家公司发布了一台新的仪器MAGPIX,从此以后各大实验室可以使用这种更小、成本更低、多重性更少的仪器。
 
Luminex公司的MAGPIX是一台荧光成像仪,使用顺磁性的微球体(因此而得名),并用磁体将其固定在固体基质上,以创造固定的固相微球阵列——尽管是临时的。(磁性微球也能够简化取样过程,并提高微球复原,EMD Millipore公司多元化和免疫检测部负责人JehangirMistry介绍,他们负责推广MILLIPLEX品牌推出的xMAP分析。)该仪器用LED激活该阵列,并用CCD照相机捕获荧光结果。
 
不同于Luminex 200(能够区分多达100个不同的微球型)和FLEXMAP 3D(可识别出500个),MAGPIX局限于50个不同的微球指纹,Luminex公司营销总监Matthew Grow介绍。但他指出,这对绝大多数分析来说已经足够了。实际上,加拿大和欧洲已经批准使用MAGPIX(连同Luminex 200)公司的15个病原物xTAG胃小肠病原物检测面板。
 
Mistry介绍,EMD Millipore公司最大的面板是一个42重人类细胞因子和趋化因子面板。(事实上,大部分Luminex检测是由它的合作伙伴创制并销售,包括EMD Millipore公司、博乐实验室、R&D系统和其他十几个公司。该公司近期上线了一款iPhone手机应用——xMAP Kit Finder,可以帮助研究者鉴定针对特定生物标记的试剂盒。)
 
魔影机上的生物检测
 
Quanterix公司成立于2007年,总部位于波士顿。它在影响高灵敏度的多重分析物检测方面取得了一项进展。这项进展与MAGPIX并没有太大差异。
 
Quanterix公司是由塔夫特大学David Walt教授创立的,他也是Illumina公司的共同创始人。Quanterix的单细胞阵列(Simoa)技术完全体现了这家公司的传统。
 
Illumina公司在成为测序公司前,研发了一套基于微球的微阵列——BeadArray,将Luminex基于微球的技术与平面微阵列检测相结合。
 
同理,Simoa检测是在小型“Simoa磁盘”上进行的,该设备看起来像是20世纪60到70年代非常流行的魔影机卷轴,但是为高科技的版本。每个磁盘边缘上有24个阵列、21万6千个孔洞,每一个阵列对应着一个微量滴定板的孔。这些孔洞恰好足够容纳3微米的微球,Quanterix可将其用于抗原捕获分析。
 
与xMAP一样,每个微球由四个染料中的一个采取荧光指纹技术,并且每个表面都具有独特的捕获抗体。将其与样品孵育和洗脱完成后,这些微球再与二抗进行孵育,随后标记上一种酶。它们接着流向Simoa磁盘,微球会在其孔洞中被捕获然后进行封闭。
 
公司研究副总裁David Duffy解释,这个步骤会让Quanterix系统变得异常灵敏,其中酶能够将暗基质转变成毫微微升大小的荧光物,而不是让荧光团散射到更大的空间中。
 
“大约3000个荧光团所需的酶,会从几百万个减少到只需要一个,并且你可以检测单独的蛋白分子。” Duffy说。Duffy表示,Quanterix系统(称为Simoa HD-1分析仪)能够检测像TNF-alpha一样不到0.02皮克/毫升的信号分子,与类似的Luminex分析相比,高出了一到两个数量级。
 
这一系统将于2013年7月发布,理论上能够多重处理高达12个不同的分析物。但他说,实际上公司将聚焦于5个目标左右的面板,以加速分析的发展,降低抗体的交叉反应。最初的面板将定位于诸如肿瘤学、神经病学、炎症和感染性疾病等的应用当中。
 
活体定量RNA
 
荧光多重性的另外一项新进展来源于美国西北大学Chad Mirkin实验室。Mirkin称之为纳耀斑(Nanoflares),AuraSense和EMD Millipore(称其为SmartFlare RNA检测探针)将这一技术进行了产品化。这项技术能够使研究者像在RT-PCR分析中那样定量RNA,但是是在活细胞中。
 
纳耀斑是13纳米的金颗粒,上面覆盖了20个碱基的寡核苷酸,与目标RNA互补。Mirkin将这个结构称为“球形核酸”。另一个较短的寡核苷酸缠绕在标定的寡核苷酸上,末端标记了荧光团。由于金是一种非常有效的荧光淬灭剂,一开始,这个荧光团是暗的。然而,当这些构造与一个互补的RNA相遇时,一个小的“耀斑”便释放出来,产生一个荧光的信号。
 
据Mirkin介绍,球形核酸(他的团队于差不多16年前首次研制)的精妙之处在于他们能自然、快速地通过清道夫受体而被细胞吸收,因此不需要转染试剂。再加上纳耀斑的设计,这一个特性让研究者可以在活细胞中定量RNA,明显不具有毒性。
 
“纳米科学真正的成功的一个地方在于,当你拿到别人所谓的世界上最重要的合成DNA分子的时候,把它导入一个高度定向的球体中,将得到彻底不同的特性,而其中一个特性便是进入细胞的能力。”他说。
 
Mirkin的团队在2012年初发布了双路纳耀斑,该技术使用一个颜色通道去定量感兴趣的RNA,另一个通道去检测管家对照。他说,3个或者4个彩色多路传输也是有可能的。
 
据AuraSense的常务总经理和首席科学家David Giljohann介绍,纳耀斑可作为RT-PCR的替用品(虽然灵敏度和定量性稍差),比方说检测转基因的表达或siRNA的功效。这只需要在培养皿的细胞中加入纳耀斑,等待12到16个小时,然后用流式细胞仪检测结果。Mistry说,EMD Millipore公司已经有100个SmartFlare检测探针可供使用,未来还会有更多。
 
有些细胞生物学家需要测试小分子调控RNA或检测转基因效率,这个工具对于这种需求来说简直是神来之笔,特别是阳性细胞能够被分离并使用细胞分选重新放入培养基中。这种方法甚至可以帮助Roederer等免疫学家,Roederer可以用这一方法去比较经由RNAi处理的和未处理的细胞之间的免疫反应。
 
这的确是荧光多重性的美好时代。■
(Jeffrey M. Perkel 是爱达荷州波卡提洛市的自由撰稿科学作家。DOI: 10.1126/science.opms.p1300074
    鸣谢:“原文由美国科学促进会(
www.aaas.org)发布在2013 年4 月12日《科学》杂志”。官方英文版请见www.sciencemag.org/site/products/lst_20130412.xhtml。)





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