剥开癌细胞的“画皮”

张晔

近期，接二连三有公众人物因为癌症突然离世，令人扼腕的同时也引发热议：我们该如何更早地发现癌症，从而获得尽早治疗的机会呢？

“看穿”细胞内分子的细微变化

如果把人体内的细胞比作广场上的许多人，表面上看起来他们都很正常，但是其中有些人的内心已经起了变化，就像是一群“潜伏者”，一旦时机成熟，就会兴风作浪。

癌症等疾病在早期时，人体不会有任何症状，如果按照一般的检测手段，相当于从外观的角度透视或放大人体组织器官，很难“看穿”细胞内分子的细微变化。

一直以来，科学家苦苦寻找能在早期辨别出这些“潜伏者”的有效方法。从20世纪80年代起，依靠科学仪器对细胞内的分子变化情况进行精准探测，并用化学分析的方法得出判断结果，逐渐成为一种全新的检测手段。

前段时间，中科院院士、南京大学化学化工学院陈洪渊教授团队，在国际上率先实现了在纳秒及纳米尺度上对单个活细胞内生物分子化学反应过程的分析工作，可精准测量单个细胞内分子的动态变化。也就是说，我们有望对早期病变细胞进行检测，剥开癌细胞的“画皮”，从而去帮助临床大夫进行诊疗。相关研究发表在《美国科学院院报》等一系列国际一流刊物上。

“人是由细胞组成的，其中有复杂的变化过程，我们希望从源头追究细胞中的各种化学反应。”陈洪渊说，癌细胞是善于伪装自己的，这个仪器可以在细胞病变的最早期，对正常细胞和病变细胞进行有效的识别，以做出一些有价值的判断。

这个方法的基本原理就是用纳米尺寸大小的探针，深入单个活细胞中，利用探针表面的识别物或输送进去的检测试剂去寻找特定的分子。“就像在一群人当中寻找穿红色衣服的人。”研究团队的主要成员之一、南京大学教授江德臣说。

如同在纳米管中流过十亿分之一的小水珠

科学研究发现，任何物质都是由极微小的粒子及分子组成的，细胞也不例外。这些微小颗粒分为细胞器、囊泡和分子。其中，细胞器中的化学变化支配着细胞的活动。

一般来说，细胞的平均直径在10～30微米之间，而一个细胞器的直径仅为50～100纳米。想要在如此小的尺度上对其包含的分子进行化学反应的检测，可以说极为困难。

“我们设计的纳米探针，根据检测目标物的不同，会在探针上修饰不同的识别物，可以特征性地去识别一些分子。”陈洪渊介绍说，这就可以获取被检测区间中更加翔实的分子信息。

为了实现对于复杂生物分子的检测，科研人员把对应的檢测试剂输送到细胞中。向细胞内如此狭小的空间进行精准、定量的物质输运是一个难题，此前也没有成熟的技术可供借鉴。

经过多次研讨，项目组利用“溶液可在电场作用下在纳米管中流动”的原理，实现了将这些试剂通过探针定向输运到细胞内的指定位置。

由于输运溶液的体积只有“飞升”，即仅相当于一滴水的十亿分之一，该采用多大电压？如何观测这样微小的液滴？研究团队在设计好实验方案的基础上，又查阅了大量的资料，通过反复的实验论证，终于在多次反复实验后稳定地获得了从纳米毛细管内精准排出的液体，并在此基础上进一步优化实验参数，使之在分析时不会干扰细胞自身的活性。

相当于在细胞里做一次化学实验

目前，国际上的相关检测通常做到200纳米级分辨的观测，而陈洪渊团队实现了50纳米级分子化学反应的分析工作。

“我们成功地实现了将‘飞升体积的分析溶液输运到目标区域，并在国际上率先实现了对单个细胞器中蛋白活性的定量电化学分析。”江德臣介绍说，这项研究的先进性在于提高了单细胞分析的空间识别能力，就好比原来拍一个东西得到的照片是512×512像素，现在发明了可拍摄更高像素（如2048×2048）的工具，可以看得更加清楚。