Cell：重大进展！首次开发出测量体内细胞随时间变化的方法

尽管物理学家仍在争论时间是否真地像爱因斯坦所说的那样是一种幻觉，但生物学家却毫不怀疑时间对于理解作为动态系统的生命的重要意义。近年来，他们利用多种工具对复杂的生物系统有了越来越深入的了解，这些工具可以同时分析大量的细胞和分子数据，并探测驱动疾病的细胞回路。然而，这些对细胞行为和相互作用方式的深入研究只能提供复杂生物体内部发生情况的单独快照，而无法考虑时间维度，也无法揭示细胞事件的顺序。

如今，在一项新的研究中，以色列魏兹曼科学研究院的Ido Amit教授及其团队首次成功开发出一种方法，用于跟踪和测量体内单个细胞随时间发生的变化。这种方法被称为 Zman-seq，包括用不同的时间戳标记细胞，并跟踪它们在健康或病理组织中的变化。利用这种细胞时间机器，他们可以了解细胞的历史，以及每个细胞在组织中停留了多长时间，最终了解组织中发生的分子和细胞时间变化。相关研究结果发表在2024年1月4日的Cell期刊上，论文标题为“Time-resolved single-cell transcriptomics defines immune trajectories in glioblastoma”。

单细胞技术是生物学家了解单个细胞内部情况的工具，近年来取得了长足的进步，这在很大程度上要归功于活跃的单细胞研究界，而Amit实验室正是单细胞研究界的先驱之一。

有了这些工具，人们如今就可以获得高分辨率图像，了解疾病是如何产生的，身体是如何对不同的药物做出反应的，还可以识别稀有细胞群体，破解哪些细胞相互作用以及它们在组织中的空间分布。

然而，所有这些重要的见解都相当于从一部电影中获取许多静帧图像，并试图理解其中的情节。Amit说，“知道什么在什么之前还不足以推断出因果关系，但如果没有这些知识，我们就不可能真正理解什么是因，什么是果。”

这项突破性新技术的开发始于Amit实验室的博士后研究员Daniel Kirschenbaum博士的研究。Kirschenbaum出生于匈牙利，在瑞士获得了神经病理学博士学位，并在那里研究了胶质母细胞瘤这种最常见的侵袭性脑肿瘤。

他说，“我们通常认为癌症是细胞生长失控，但事实上，癌症也是机体---特别是免疫系统---丧失了控制细胞生长的能力。当你观察肿瘤时，其中很大一部分是由功能失调的免疫细胞组成的，这些细胞有时占肿瘤中所有细胞的三分之一甚至一半。”

胶质母细胞瘤是免疫抑制作用最强的肿瘤类型之一。Kirschenbaum解释说，“要想了解如何战胜这种癌症，我们需要了解免疫细胞进入肿瘤后发生了什么，以及它们为什么会失去对抗肿瘤的能力并变得功能失调。理想情况下，我们希望每个细胞上都有一个小时钟，告诉我们它们何时进入肿瘤，以及指示它们丧失功能的信号和检查点何时被激活。这种回到未来的时间机器被认为是不可能开发出来的。”

当Kirschenbaum决定采取一种不可思议的方法时，突破出现了。“我们决定不尝试测量细胞在肿瘤组织内的时间，而是尝试在细胞还在血液中时---在它们进入肿瘤之前---对它们进行标记。通过在不同的时间点使用不同的荧光染料，我们后来就能准确地知道每个细胞何时进入组织，在那里呆了多长时间，这就揭示了组织内细胞发生的动态变化，比如，免疫细胞在肿瘤内功能失调的不同阶段是什么。”

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2023.11.032

Kirschenbaum 补充说，挑战在于开发出在特定时间点给血液中的细胞着色的最佳方法，确保荧光染料不会到达组织本身或在血液中停留时间过长，从而可能与下一种荧光染料混合在一起。与此同时，荧光染料必须在细胞上停留足够长的时间，以便对它们进行测量。

作为这项新研究的一部分，Amit团队发现这种方法可以测量免疫细胞在不同组织---动物模型的大脑、肺部和消化系统---中的时间。利用Zman-seq，Kirschenbaum和他的同事们得以深入了解免疫系统在对抗胶质母细胞瘤时为何变得功能失调。

Kirschenbaum说，“例如，我们发现，称为自然杀伤细胞的免疫细胞对杀死不好的细胞至关重要，但由于肿瘤劫持了它们的杀伤机制，它们很快就会失去功能---这种情况在它们进入肿瘤后不到24小时内就会发生。这就解释了为什么利用免疫系统对抗胶质母细胞瘤的治疗尝试如此无效。”

如今，Amit团队正在开发阻断破坏免疫功能的肿瘤检查点的方法，以便重新激活胶质母细胞瘤和其他难治肿瘤中的免疫系统。此外，他们还计划将Zman-seq用于研究整个人体细胞的时间动态。

Kirschenbaum 补充说，“例如，许多癌症患者在手术前接受治疗。我们希望用这种方法为这一时期体内的免疫细胞着色，这样在手术后，我们就能更好地了解肿瘤中免疫细胞的动态，从而优化对患者的治疗。”

Amit说，“在此之前，还有许多不同的方法试图分析单细胞数据，并根据不同的参数将它们沿着时间轴排列。但这些方法在选择事件序列时都有些武断。Zman-seq提供了‘铁的事实’，这些经验性的测量结果使科学家们能够了解免疫细胞和其他细胞进入肿瘤时所经历的精确事件顺序，这可能会带来一种全新的思路，即如何针对癌症和其他疾病产生更有效的疗法。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Daniel Kirschenbaum et al. Time-resolved single-cell transcriptomics defines immune trajectories in glioblastoma. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2023.11.032

Back to the future: Scientists develop the first method to measure cellular changes in the body over time
https://phys.org/news/2023-12-future-scientists-method-cellular-body.html