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2018年10月29日
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國家自然科學基金委重大科研儀器研究獲突破 「細胞內化學顯微鏡」為癌症精準診斷提供潛在可能

【香港商報網訊】記者 杜林 宋璟 報導:精準識別1毫升血液中個位數級的腫瘤細胞、觀察人類細胞納米區間內的化學反應、能量消耗……近日,作為國家自然科學基金委國家重大科研儀器設備研製專項,歷時五年的「單細胞高時空分辨分子動態分析系統」項目取得重大成果,為未來生命科學、醫學研究創造出一把科學「利器」。本報記者赴南京大學生命分析化學國家重點實驗室,採訪了項目總負責人、中科院院士陳洪淵。

陳洪淵院士團隊與單個循環腫瘤細胞精準分子測量儀 (陳儼 摄影)



更精準的分子測量 為細胞「溯源」

通過綜合光學、電化學、質譜檢測手段,人類可以探知細胞內的化學變化,從而識別細胞屬性,了解細胞變化的過程。目前,國際上的相關檢測通常能做到200納米級的觀察。而陳洪淵院士團隊成功實現了50納米內分子化學屬性的分析工作。近期,相關工作發表在國際頂級刊物《美國科學院院報》(PNAS)上,獲得國內外業界廣泛認可。

「人是由細胞組成的,細胞里也是一個小世界,其中有複雜的化學和物理變化過程,我們希望從源頭追究細胞中的各種化學反應。」中科院院士陳洪淵說,由於細胞群體會掩蓋諸多特徵,科學家們一直希望「追本溯源」,從單細胞層面開展研究。

「對比當下的細胞檢測,我們的進步在於提高了單細胞分析的空間分辨率和時間分辨率。就是說,可以在50納米的空間尺度和納秒級的時間尺度上進行分子測量。」團隊成員、教育部青年長江學者、南京大學教授江德臣比喻說,「空間分辨率,好比原來拍一個東西得到的照片是512*512像素,現在我們發明了可拍攝更高像素(譬如2048*2048)的工具,就可以看得更加清楚;對於時間分辨,儀器相當於快速相機一樣,可以反映化學變化的過程。」江德臣表示,通過時空分辨率的提升,科學研究者就可以對細胞進行更加精細的研究,為進一步理解生命過程的化學本質提供更多的可靠數據。

陳洪淵院士(右一)團隊 陳儼 攝


「火眼金睛」剝開癌細胞「畫皮」

走進南京大學生命分析化學國家重點實驗室,陳洪淵院士團隊研製的單細胞精準分子測量儀由諸多分析儀器相接組合,佔據了一整間約120平米的實驗室。「癌細胞中,有的反應消耗的能量和普通細胞不一樣,我們可以通過儀器對這種變化進行圖像採集及數據處理,結合其他旁證,剝開癌細胞的『畫皮』。」陳洪淵院士說。

據介紹,單細胞精準分子測量儀的部分模塊已經進入產品化階段,多所高校及研究所已經購買該模塊用於研究。

「化學顯微鏡」在未來不僅僅只有癌細胞精準檢測這一項潛在的應用。美國《Anal. Chem (分析化學)》雜誌執行主編、清華大學張新榮教授評價說,項目為進一步理解細胞個體差異性的生物學起源提供了一套全新的生物學數據,對闡明細胞器功能的分子基礎具有重要價值。

對單細胞進行更加精準的分析,不僅可以幫助人類進一步理解生命過程中細胞產生、發展及死亡的變化過程,理解生命過程的化學本質,還可以對人類病變細胞進行有效的識別,將一些病症扼殺在搖籃中。「疾病發生的過程是個別細胞向群體細胞發展的過程,最早期大多與極個別細胞病變相關,我們可以在早期知道細胞病變、了解發病機制。」陳洪淵院士說。

在陳洪淵院士20名核心團隊成員名單中,綜合有化學、生物、電子、臨床、物理學等跨學科專家,正是他們通過歷時五年的跨學科協作,共同完成了這項科學界的「國之重器」。

陳洪淵院士團隊正探索將研究進一步深入。據介紹,目前國際對循環腫瘤細胞檢測中,分子數目種類多,靈敏度不夠。團隊目前正在研究,通過儀器獲取單個活細胞內多個標誌物動態變化的分子測量系統,實現對循環腫瘤細胞的檢測;解決當前單一標誌物可信度低及多種癌症聯合檢測的問題。