一個(gè)新的麻省理工學(xué)院新開(kāi)發(fā)的方法將拉曼光譜與機(jī)器學(xué)習(xí)隨著時(shí)間的推移，無(wú)創(chuàng)地跟蹤細(xì)胞中的基因表達(dá)。這項(xiàng)技術(shù)能夠詳細(xì)研究細(xì)胞分化，并在癌癥研究、發(fā)育生物學(xué)和診斷方面具有潛在的應(yīng)用前景。
對(duì)細(xì)胞中的所有RNA進(jìn)行測(cè)序可以揭示大量關(guān)于細(xì)胞功能的信息，以及它在特定時(shí)間點(diǎn)的功能。然而，測(cè)序過(guò)程破壞了細(xì)胞，使得研究基因表達(dá)的持續(xù)變化變得困難。
麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的另一種方法可以使研究人員在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)追蹤這些變化。這種新方法基于一種被稱為拉曼光譜的非侵入性成像技術(shù)，不會(huì)傷害細(xì)胞，而且可以重復(fù)進(jìn)行。
利用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員表明，他們可以在幾天內(nèi)監(jiān)測(cè)胚胎干細(xì)胞分化成其他幾種細(xì)胞類型的過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)可以研究長(zhǎng)期的細(xì)胞過(guò)程，如癌癥進(jìn)展或胚胎發(fā)育，有朝一日可能用于癌癥和其他疾病的診斷。
“有了拉曼成像，你可以測(cè)量更多的時(shí)間點(diǎn)，這對(duì)研究癌癥生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和許多退行性疾病可能很重要，”麻省理工學(xué)院生物和機(jī)械工程教授、麻省理工學(xué)院激光生物醫(yī)學(xué)研究中心主任、該論文的作者之一Peter So說(shuō)。
Koseki Kobayashi-Kirschvink是麻省理工學(xué)院以及哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院布羅德研究所的博士后，是這項(xiàng)研究的主要作者，該研究最近發(fā)表在《Nature Biotechnology》雜志上。
成像基因表達(dá)
拉曼光譜是一種非侵入性技術(shù)，通過(guò)向組織或細(xì)胞照射近紅外或可見(jiàn)光來(lái)揭示組織或細(xì)胞的化學(xué)成分。麻省理工學(xué)院的激光生物醫(yī)學(xué)研究中心自1985年以來(lái)一直致力于生物醫(yī)學(xué)拉曼光譜研究，最近，So和該中心的其他人開(kāi)發(fā)了基于拉曼光譜的技術(shù)，可用于診斷乳腺癌或測(cè)量血糖。
然而，拉曼光譜本身不夠靈敏，無(wú)法檢測(cè)到單個(gè)RNA分子水平變化這樣小的信號(hào)。為了測(cè)量RNA水平，科學(xué)家通常使用一種稱為單細(xì)胞RNA測(cè)序的技術(shù)，這種技術(shù)可以揭示組織樣本中不同類型細(xì)胞中活躍的基因。
在這個(gè)項(xiàng)目中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)訓(xùn)練計(jì)算模型將拉曼信號(hào)翻譯成RNA表達(dá)狀態(tài)，將單細(xì)胞RNA測(cè)序和拉曼光譜的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)。
“RNA測(cè)序給了你非常詳細(xì)的信息，但它是破壞性的。拉曼是無(wú)創(chuàng)的，但它不能告訴你任何關(guān)于RNA的信息。因此，這個(gè)項(xiàng)目的想法是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)結(jié)合兩種模式的優(yōu)勢(shì)，從而讓你了解單細(xì)胞水平上基因表達(dá)譜的動(dòng)態(tài)，”Kobayashi-Kirschvink說(shuō)。
為了生成數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練他們的模型，研究人員對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞(一種皮膚細(xì)胞)進(jìn)行了因子處理，使細(xì)胞重新編程成為多能干細(xì)胞。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞也可以轉(zhuǎn)化為其他幾種細(xì)胞類型，包括神經(jīng)細(xì)胞和上皮細(xì)胞。
利用拉曼光譜，研究人員對(duì)細(xì)胞在18天內(nèi)分化的36個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了成像。每張圖像拍攝后，研究人員使用單分子熒光原位雜交(smFISH)分析每個(gè)細(xì)胞，該技術(shù)可用于可視化細(xì)胞內(nèi)特定的RNA分子。在這種情況下，他們尋找編碼九種不同基因的RNA分子，這些基因的表達(dá)模式因細(xì)胞類型而異。
smFISH數(shù)據(jù)可以作為拉曼成像數(shù)據(jù)和單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)之間的鏈接。為了建立這種聯(lián)系，研究人員首先訓(xùn)練了一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型，根據(jù)從這些細(xì)胞中獲得的拉曼圖像來(lái)預(yù)測(cè)這9個(gè)基因的表達(dá)。
然后，他們使用布羅德研究所先前開(kāi)發(fā)的名為Tangram的計(jì)算程序，將smFISH基因表達(dá)模式與他們通過(guò)對(duì)樣本細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序獲得的整個(gè)基因組圖譜聯(lián)系起來(lái)。
然后，研究人員將這兩個(gè)計(jì)算模型結(jié)合成一個(gè)他們稱之為Raman2RNA的計(jì)算模型，該模型可以根據(jù)細(xì)胞的拉曼圖像預(yù)測(cè)單個(gè)細(xì)胞的整個(gè)基因組圖譜。
跟蹤細(xì)胞分化
研究人員通過(guò)跟蹤小鼠胚胎干細(xì)胞分化成不同細(xì)胞類型的過(guò)程來(lái)測(cè)試他們的Raman2RNA算法。他們連續(xù)三天每天四次拍攝細(xì)胞的拉曼圖像，并使用他們的計(jì)算模型預(yù)測(cè)每個(gè)細(xì)胞相應(yīng)的RNA表達(dá)譜，他們通過(guò)將其與RNA測(cè)序測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)證實(shí)這一點(diǎn)。
利用這種方法，研究人員能夠觀察到單個(gè)細(xì)胞從胚胎干細(xì)胞分化為更成熟的細(xì)胞類型時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)變。他們還表明，在兩周的時(shí)間里，他們可以追蹤小鼠成纖維細(xì)胞被重新編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞時(shí)發(fā)生的基因組變化。
“這是一個(gè)證明，光學(xué)成像提供了額外的信息，使你可以直接跟蹤細(xì)胞的譜系和它們的轉(zhuǎn)錄進(jìn)化，”So說(shuō)。
研究人員現(xiàn)在計(jì)劃使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)研究其他隨時(shí)間變化的細(xì)胞群，比如衰老細(xì)胞和癌細(xì)胞。他們現(xiàn)在正在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)細(xì)胞，但在未來(lái)，他們希望這種方法可以發(fā)展成為一種潛在的診斷方法，用于患者。
“拉曼的最大優(yōu)勢(shì)之一是它是一種無(wú)標(biāo)簽的方法。這還有很長(zhǎng)的路要走，但人類翻譯是有潛力的，這是使用現(xiàn)有的侵入性技術(shù)來(lái)測(cè)量基因組圖譜無(wú)法完成的，”麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家、該研究的作者之一Jeon Woong Kang說(shuō)。
參考文獻(xiàn):“Prediction of single-cell RNA expression profiles in live cells by Raman microscopy with Raman2RNA” by Koseki J. Kobayashi-Kirschvink, Charles S. Comiter, Shreya Gaddam, Taylor Joren, Emanuelle I. Grody, Johain R. Ounadjela, Ke Zhang, Baoliang Ge, Jeon Woong Kang, Ramnik J. Xavier, Peter T. C. So, Tommaso Biancalani, Jian Shu and Aviv Regev, 10 January 2024, Nature Biotechnology.
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-3）
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