為了推動生物技術創新，科學家們正在努力開發更快、可定量、更方便的方法來觀察活細胞中的生物分子。現在，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發出了一種新方法，可以利用紅外光捕捉細胞內生物分子的清晰影像，這在以前是不可能的，因為細胞內的水容易吸收紅外線輻射。

NIST 的新方法消除了紅外線測量中水的遮蔽效應，使研究人員能夠確定細胞中關鍵生物分子的數量，例如指導細胞功能的蛋白質。測量活細胞變化的能力可以加快生物製造、細胞療法開發、藥物開發等領域的進步。

他們的研究結果發表在《分析化學》。

利用一種名為紅外線（IR）透射顯微鏡的成像技術拍攝的活細胞中核酸、脂質和蛋白質等生物大分子的圖像。資料來源：Y. Lee/NIST

了解紅外線顯微鏡及其挑戰

紅外線輻射是人眼可見光以外的光。雖然我們看不到紅外光，但我們可以感覺到它的熱量。在紅外線顯微鏡下，相關材料會吸收紅外光譜中一系列波長的輻射。科學家透過測量和分析樣品的紅外線吸收光譜，產生一組”指紋”，以識別分子和其他化學結構。然而，細胞內外最豐富的分子–水對紅外線的吸收很強，會掩蓋細胞中其他生物分子對紅外線的吸收。

理解這種光學遮蔽效果的一種方法是將其與一架飛機從太陽旁邊飛過時進行比較。由於太陽的緣故，肉眼很難看到飛機，但如果使用特殊的遮光濾鏡，就可以輕鬆看到天空中的飛機。

NIST 化學家Young Jong Lee 說：”在光譜中，水對紅外線的吸收非常強烈，我們希望透過厚厚的水背景看到蛋白質的吸收光譜，因此我們設計了光學系統，以揭開水的貢獻，並顯示蛋白質訊號。

利用SAC-IR 推進細胞分析

李開發了一種專利技術，利用光學元件補償紅外光對水的吸收。這項技術被稱為溶劑吸收補償（SAC），它與手工製造的紅外線雷射顯微鏡配合使用，對支持結締組織形成的細胞（成纖維細胞）進行成像。在12小時的觀察期內，研究人員能夠辨識細胞週期各階段（如細胞分裂）的生物大分子群（蛋白質、脂類和核酸）。雖然這看起來像是很長的時間，但這種方法終究比目前的替代方法要快，因為後者需要在大型同步加速器設施中花費光束時間。

這種名為SAC-IR 的新方法是無標記的，這意味著它不需要任何染料或螢光標記，而這些染料或螢光標記會對細胞造成傷害，而且不同實驗室的結果也不太一致。

SAC-IR 方法使NIST 研究人員能夠測量細胞中蛋白質的絕對質量，以及核酸、脂質和碳水化合物的絕對質量。這項技術有助於為細胞中生物大分子測量方法的標準化奠定基礎，在生物學、醫學和生物技術領域大有用武之地。

“例如，在癌細胞療法中，當來自患者免疫系統的細胞被改造成能更好地識別和殺死癌細胞，然後再重新輸入患者體內時，人們必須問：’這些細胞安全有效嗎？”李說：”我們的方法可以提供更多有關細胞生物分子變化的信息，從而評估細胞的健康狀況。”

其他潛在應用包括利用細胞進行藥物篩選，以發現新藥或了解候選藥物的安全性和有效性。例如，這種方法可以透過測量大量單一細胞中各種生物分子的絕對濃度來評估新藥的藥效，或分析不同類型的細胞對藥物的反應。

未來的應用與改進

研究人員希望進一步開發這種技術，使其能夠更精確地測量其他關鍵生物分子，如DNA和RNA。這項技術也能幫助詳細解答細胞生物學中的基本問題，如哪些生物分子特徵與細胞活力相對應–換句話說，細胞是活的、死的還是死的。

“有些細胞在冷凍狀態下保存數月或數年，然後解凍供日後使用。我們還不完全了解如何才能最好地解凍細胞，同時保持細胞的最大活力。有了我們的新測量能力，我們也許就能透過觀察細胞的紅外線光譜，開發出更好的細胞冷凍和解凍過程，”Lee 說。

編譯自/ ScitechDaily

DOI: 10.1021/acs.analchem.4c02108