可视化不可见的:新的荧光DNA标签揭示了纳米级癌症特征

研究人员开发了一种新的荧光标签，可以更清晰地显示癌细胞中DNA结构是如何被破坏的。这一发现可以改善患者的癌症诊断和未来癌症风险的分类。

今日出版于科学的进步该研究发现，dna结合染料在处理过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图像。

匹兹堡大学医学与生物工程副教授、资深作者刘洋博士说:“我的实验室专注于开发显微镜技术来可视化看不见的东西。”“我们是第一批在临床领域探索超分辨率显微镜功能的团队之一。在此之前，我们对其临床分析的吞吐量和稳健性进行了改进癌症样本。现在，我们有了一种易于使用的DNA染料，这解决了这项技术应用的另一个大问题病人护理．"

在细胞核内，DNA链像绳子上的珠子一样缠绕在蛋白质上。病理学家通常使用传统的光学显微镜来观察这种dna -蛋白质复合物的破坏染色质，作为癌症或癌前病变．

“虽然我们知道在癌症发展过程中染色质在分子尺度上发生了变化，但我们还不能清楚地看到这些变化是什么。这已经困扰我十多年了，”刘说，她也是UPMC希尔曼癌症中心的成员。“为了改善癌症诊断，我们需要以更高分辨率可视化核结构的工具。”

2014年，获得诺贝尔奖的超分辨率荧光显微镜的发明是刘的愿景成为现实的重要一步。一个感兴趣的分子用一种特殊的荧光染料标记，这种染料像闪烁的星星一样闪烁。与传统的荧光显微镜不同，传统的荧光显微镜使用不断发光的标签，这种方法只需要在每个时刻打开标签的一个子集。当几张图像叠加在一起时，就可以重建出完整的图像，而且分辨率比以前高得多。

到目前为止，问题是荧光染料在DNA或处理过的临床癌症样本上效果不佳。因此，Liu和她的团队通过将dna结合分子Cy5和一种称为Hoechst的荧光染料结合起来，制定了一种名为Hoechst-Cy5的新标签，这种荧光染料具有超分辨率显微镜的理想闪烁特性。

在展示了新标签比其他染料产生更高分辨率的图像后，研究人员比较了正常、癌前病变和癌性病变的结直肠组织。在正常细胞中，染色质密集排列，尤其是在细胞核的边缘。浓缩的DNA之所以发光明亮，是因为标签密度越高，发出的信号就越强，而松散的染色质发出的信号就越弱。

图像显示，随着癌症的发展，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，新的标签可以区分正常组织与癌前病变和癌性病变，但Liu说，超分辨率显微镜不太可能取代传统显微镜进行这种常规临床诊断。相反，这项技术可能在风险分层方面大放异彩。

“早期病变可能有非常不同的临床结果，”刘说。“有些人癌症发展很快，而另一些人则长期处于前驱阶段。癌症风险分层是癌症预防的主要挑战。”

为了了解染色质结构是否可以提供未来癌症风险的线索，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。他们观察了没有林奇综合症的健康人以及有或没有癌症史的林奇患者的非癌性结直肠组织。

差异是惊人的。在林奇的结肠癌患者中，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展的早期迹象——即使在病理学家看来完全正常的组织中也是如此。

对于没有癌症病史的Lynch患者，有些人会继续发展为癌症，而另一些人则不会。

“我们在这个群体中看到了更大的差异，这非常有趣，”刘说。“一些患者类似于健康对照组，一些更接近于之前患过癌症的林奇患者。我们认为染色质更开放的患者更容易患癌症。我们需要长期跟踪这些患者来衡量结果，但我们很兴奋染色质中断在正常细胞可以预测癌症风险。”

在未来的工作中，刘和她的团队有兴趣检查林奇患者子宫内膜组织中的染色质结构，林奇患者也有子宫内膜癌的风险升高。研究人员最近还获得了一笔资金，用于研究吸烟者的痰样本，以早期发现肺癌。

对这项研究做出贡献的其他作者有徐建全博士，孙雪娇硕士，马宏强博士，朗达·m·布兰德博士，道格拉斯·哈特曼医学博士，和兰德尔·e·布兰德医学博士，都是皮特大学的;白明峰博士和Kwangho Kim博士，都来自范德堡大学。

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