在生物醫(yī)學研究中，如何在厚組織樣本中同時觀測數(shù)百種RNA和蛋白質(zhì)的復雜分布，一直是技術(shù)難題。

近日，《Science》發(fā)布的一項成果宣布開發(fā)出了新型成像技術(shù)cycleHCR，利用一種新穎的DNA條形碼系統(tǒng)，在厚生物樣本中的單個細胞內(nèi)追蹤數(shù)百種RNA和蛋白質(zhì)分子，從而向研究人員提供這些結(jié)構(gòu)在組織內(nèi)部組織方式的全景視圖。

RNA分子將DNA中的指令傳遞給蛋白質(zhì)，以執(zhí)行細胞的許多功能。了解這些分子在復雜組織中的位置，對理解基因在不同區(qū)域和細胞類型中的表達至關(guān)重要。這些信息使研究人員能夠解碼基因在生物體不同部位的功能、它們?nèi)绾瓮苿影l(fā)育，以及它們在各種條件下如何變化。

研究人員認為，這種新方法在其他領(lǐng)域也可能有潛在應(yīng)用，超越生物學和神經(jīng)科學的范疇。

cycleHCR是基于先前開發(fā)的技術(shù)——雜交鏈反應(yīng)（HCR）。HCR能夠在目標分子上組裝多個熒光團，這些熒光團在用熒光顯微鏡成像時會發(fā)出明亮的光，使研究人員能夠在組織深處觀察到單個細胞中的分子。

然而，HCR受到當前熒光團的限制，由于其覆蓋的光譜范圍寬廣，導致同時只能使用三到四種顏色。這意味著研究人員在樣本中只能檢測到少數(shù)幾種分子，從而難以全面了解它們在組織中的組織情況。

為了解決這個問題，研究團隊設(shè)計了新的DNA條形碼，可以將其附加到目標分子上。就像超市商品上的條形碼指明每一種商品的獨特類型一樣，這些獨特的DNA條形碼允許研究人員標記樣本中的每一類分子。

每個條形碼由兩個部分組成。當這兩部分匹配時，目標便通過HCR技術(shù)得到了放大。這兩部分的設(shè)計確保了標簽的特異性，能夠精準檢測單一類型的RNA分子。

條形碼的設(shè)計也便于去除，這樣就可以在同一樣本上進行多輪HCR。初始成像使用三個條形碼，捕獲三種不同顏色的RNA分子。移除這些條形碼后，第二輪成像使用三個不同的條形碼，以此類推，通過多輪成像最終能夠在單個樣本中發(fā)現(xiàn)無限數(shù)量的目標分子。

研究人員對分裂增強鏈反應(yīng)技術(shù)進行了修改，現(xiàn)在在線增添了條形碼，使得研究人員可以在多個輪次中檢測數(shù)百種，甚至數(shù)千種RNA。除了RNA檢測外，研究人員還開發(fā)了使用相同條形碼檢測蛋白質(zhì)的方法，使研究人員能夠更好地理解RNA和蛋白質(zhì)在組織中的分布。

研究團隊還對該系統(tǒng)進行了自動化改進，使得研究人員在一天內(nèi)能夠檢測多達十種分子物種，而無需持續(xù)監(jiān)控整個過程。此外，研究人員開發(fā)了分析方法，用于繪制基因空間表達的位置，并幫助研究人員更好地理解原始數(shù)據(jù)。

在小鼠胚胎實驗中，cycleHCR成功量化254個基因的空間表達，繪制全細胞類型圖譜，甚至發(fā)現(xiàn)未知新細胞，為胚胎發(fā)育研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

這一新技術(shù)已經(jīng)引起了科學界的廣泛關(guān)注，目前，研究團隊已公開條形碼序列并簡化系統(tǒng)設(shè)計，推動技術(shù)普及。未來，cycleHCR或助力癌癥、神經(jīng)退行性疾病等研究，成為生命科學領(lǐng)域的“標配工具”。隨著全球?qū)嶒炇业募尤?，分子?ldquo;生命地圖”的繪制正邁向新紀元。

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adq2084