在生物醫學(xué)研究中，如何在厚組織樣本中同時(shí)觀(guān)測數百種RNA和蛋白質(zhì)的復雜分布，一直是技術(shù)難題。

近日，《Science》發(fā)布的一項成果宣布開(kāi)發(fā)出了新型成像技術(shù)cycleHCR，利用一種新穎的DNA條形碼系統，在厚生物樣本中的單個(gè)細胞內追蹤數百種RNA和蛋白質(zhì)分子，從而向研究人員提供這些結構在組織內部組織方式的全景視圖。

RNA分子將DNA中的指令傳遞給蛋白質(zhì)，以執行細胞的許多功能。了解這些分子在復雜組織中的位置，對理解基因在不同區域和細胞類(lèi)型中的表達至關(guān)重要。這些信息使研究人員能夠解碼基因在生物體不同部位的功能、它們如何推動(dòng)發(fā)育，以及它們在各種條件下如何變化。

研究人員認為，這種新方法在其他領(lǐng)域也可能有潛在應用，超越生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的范疇。

cycleHCR是基于先前開(kāi)發(fā)的技術(shù)——雜交鏈反應（HCR）。HCR能夠在目標分子上組裝多個(gè)熒光團，這些熒光團在用熒光顯微鏡成像時(shí)會(huì )發(fā)出明亮的光，使研究人員能夠在組織深處觀(guān)察到單個(gè)細胞中的分子。

然而，HCR受到當前熒光團的限制，由于其覆蓋的光譜范圍寬廣，導致同時(shí)只能使用三到四種顏色。這意味著(zhù)研究人員在樣本中只能檢測到少數幾種分子，從而難以全面了解它們在組織中的組織情況。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團隊設計了新的DNA條形碼，可以將其附加到目標分子上。就像超市商品上的條形碼指明每一種商品的獨特類(lèi)型一樣，這些獨特的DNA條形碼允許研究人員標記樣本中的每一類(lèi)分子。

每個(gè)條形碼由兩個(gè)部分組成。當這兩部分匹配時(shí)，目標便通過(guò)HCR技術(shù)得到了放大。這兩部分的設計確保了標簽的特異性，能夠精準檢測單一類(lèi)型的RNA分子。

條形碼的設計也便于去除，這樣就可以在同一樣本上進(jìn)行多輪HCR。初始成像使用三個(gè)條形碼，捕獲三種不同顏色的RNA分子。移除這些條形碼后，第二輪成像使用三個(gè)不同的條形碼，以此類(lèi)推，通過(guò)多輪成像最終能夠在單個(gè)樣本中發(fā)現無(wú)限數量的目標分子。

研究人員對分裂增強鏈反應技術(shù)進(jìn)行了修改，現在在線(xiàn)增添了條形碼，使得研究人員可以在多個(gè)輪次中檢測數百種，甚至數千種RNA。除了RNA檢測外，研究人員還開(kāi)發(fā)了使用相同條形碼檢測蛋白質(zhì)的方法，使研究人員能夠更好地理解RNA和蛋白質(zhì)在組織中的分布。

研究團隊還對該系統進(jìn)行了自動(dòng)化改進(jìn)，使得研究人員在一天內能夠檢測多達十種分子物種，而無(wú)需持續監控整個(gè)過(guò)程。此外，研究人員開(kāi)發(fā)了分析方法，用于繪制基因空間表達的位置，并幫助研究人員更好地理解原始數據。

在小鼠胚胎實(shí)驗中，cycleHCR成功量化254個(gè)基因的空間表達，繪制全細胞類(lèi)型圖譜，甚至發(fā)現未知新細胞，為胚胎發(fā)育研究提供了關(guān)鍵數據。

這一新技術(shù)已經(jīng)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，目前，研究團隊已公開(kāi)條形碼序列并簡(jiǎn)化系統設計，推動(dòng)技術(shù)普及。未來(lái)，cycleHCR或助力癌癥、神經(jīng)退行性疾病等研究，成為生命科學(xué)領(lǐng)域的“標配工具”。隨著(zhù)全球實(shí)驗室的加入，分子級“生命地圖”的繪制正邁向新紀元。

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adq2084