【Science子刊】可视化“看不见的东西”：新的荧光DNA标记揭示了癌细胞中的纳米级特征

近期发表在《Science Advances》上，题为“Ultrastructural visualization of chromatin in cancer pathogenesis using a simple small-molecule fluorescent probe”的研究，发现DNA结合染料在经过处理的临床组织样本中表现良好，并通过超分辨率荧光显微镜生成高质量的图像。

资深作者、匹兹堡大学医学和生物工程副教授Yang Liu博士说：“我的实验室专注于开发显微镜技术来可视化不可见的东西，我们是首批探索超分辨率显微镜在临床领域能力的小组之一。之前，我们提高了其分析临床癌症样本的通量和耐用性。现在，我们有了一种易于使用的DNA染料，这解决了将这项技术应用到患者护理的另一个大问题。”

在细胞核内，DNA链缠绕在蛋白质周围，就像串上的珠子。病理学家通常使用传统的光学显微镜来可视化这种DNA-蛋白质复合物，或染色质的破坏，将其作为癌症或癌前病变的标志物。

同时也是UPMC希尔曼癌症中心成员的Liu说：“尽管我们知道在癌症发展过程中染色质在分子尺度上发生了改变，但我们还不能清楚地看到那些改变是什么。这让我困扰了10多年。为了提高癌症诊断，我们需要工具以更高的分辨率可视化核结构。”

2014年，获得诺贝尔奖的超分辨率荧光显微镜发明，是朝着实现Liu的可视化想法迈出的一大步。有关分子用一种特殊的荧光染料标记，这种荧光染料像闪烁的恒星一样忽明忽暗。与传统的荧光显微镜使用不断发光的标记不同，这种方法涉及在每个时刻只打开标记的一个子集。当多个图像叠加时，可以重建完整的图像——分辨率比以前可能要高得多。

直到现在，问题是荧光染料在DNA上或在处理过的临床癌症样本中效果不佳。所以，Liu和她的团队通过结合DNA结合分子Cy5和一种称为Hoechst的荧光染料，配制了一种名为Hoechst-Cy5的新标记，具有理想的闪烁特性，用于超分辨率显微镜。

在展示了新的标记产生了比其他染料更高分辨率的图像后，研究人员比较了正常、癌前和癌性病变的结直肠组织。在正常细胞中，染色质密集，尤其是细胞核边缘。浓缩的DNA发光明亮，因为较高密度的标记发出更强的信号，而松散排列的染色质产生更暗淡的信号。

图像显示，随着癌症的进展，染色质变得不那么密集，核边界的致密结构被严重破坏。虽然这些发现表明新的标记可以区分正常组织与癌前病变和癌性病变，但Liu说超分辨率显微镜不可能取代传统的显微镜用于这样的常规临床诊断。相反，这种技术可以在风险分层中发挥作用。

Liu说：“早期病变可能有非常不同的临床结果，有些人患癌的速度非常快，还有一些人长期停留在早期阶段。癌症风险分层是癌症预防的一大挑战。”

为了观察染色质结构是否可以为未来的癌症风险提供线索，Liu和她的团队评估了Lynch综合征患者，Lynch综合征是一种遗传性疾病，会增加包括结肠癌在内的几种癌症类型的风险。他们观察了无Lynch综合征的健康人群和有或无癌症个人史的Lynch患者的非癌性结直肠组织。

这些差异是惊人的。在之前患有结肠癌的Lynch患者中，染色质的浓缩程度远低于健康样本，这表明染色质破坏可能是癌症发生的早期迹象——即使在病理学家看起来完全正常的组织中也是如此。

对于没有癌症个人史的Lynch患者，有的会继续发展为癌症，而有的则不会。

Liu说：“我们看到这个群体的更大分布，这是非常有趣的。一些患者类似于健康对照组，一些更接近既往患有癌症的Lynch患者。我们认为染色质更开放的患者是那些更容易患癌的患者。我们需要随着时间的推移对这些患者进行随访以测量结果，但我们非常兴奋的是，正常细胞中的染色质破坏可能潜在预测癌症风险。”

在未来的工作中，Liu和她的团队感兴趣于检测Lynch患者子宫内膜组织中的染色质结构，这些患者也有升高的子宫内膜癌风险。研究人员最近还获得了资金来观察吸烟者的痰样本，以便早期发现肺癌。

参与本研究的其他作者为Jianquan Xu,Ph.D.、Xuejiao Sun,M.S.、Hongqiang Ma,Ph.D.、Rhonda M. Brand,Ph.D.、Douglas Hartman,M.D.和Randall E. Brand,M.D.，均来自匹兹堡大学；以及Mingfeng Bai,Ph.D.和Kwangho Kim,Ph.D.，均来自范德堡大学。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://medicalxpress.com/news/2022-03-visualizing-invisible-fluorescent-dna-reveals.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。