新荧光DNA标签揭示纳米显微镜下的癌症特征

　　

   

   

Yang Liu博士，匹兹堡大学医学和生物工程副教授，UPMC希尔曼癌症中心成员。

研究人员已经开发出一种新的荧光标记，可以更清楚地显示癌细胞中DNA结构是如何被破坏的。这些发现可以提高对患者的癌症诊断和未来癌症风险的分类。

今天发表在《Science Advances》杂志上的研究发现，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的图像。

匹兹堡大学医学和生物工程副教授、资深作者Yang Liu博士说:“我的实验室专注于开发显微镜技术，将不可见的东西可视化。我们是第一批探索超分辨率显微镜在临床领域的能力的团队之一。此前，我们改进了其用于临床癌症样本分析的吞吐量和稳定性。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于病人护理的另一个大问题。”

在细胞核内，DNA链像串珠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DNA-蛋白质复合体或染色质的破坏，将其作为癌症或癌前病变的标志。

“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。这已经困扰了我10多年，”Yang Liu说。“为了提高癌症诊断，我们需要工具以更大的分辨率来可视化核结构。”

2014年，诺贝尔奖获得者发明了超分辨率荧光显微镜。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忽明忽暗。与传统荧光显微镜使用的标签不断发光不同，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，可以以比以前更高的分辨率重建出完整的图像。

到目前为止，问题是荧光染料对DNA或处理过的临床癌症样本效果不佳。因此，Liu和她的团队通过将DNA结合分子Cy5和荧光染料Hoechst结合在一起，形成了一种名为Hoechst-Cy5的新标签，这种荧光染料具有超分辨率显微镜理想的闪烁特性。

在发现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、癌前和癌病变的结肠组织。在正常细胞中，染色质密集排列，特别是在细胞核边缘。浓缩的DNA发光明亮，因为更高密度的标签发出更强的信号，而松散包装的染色质产生一个更暗淡的信号。

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，新标签可以区分正常组织、癌前病变和癌病变，但刘说，超分辨率显微镜不太可能取代传统显微镜进行常规临床诊断。相反，这项技术可以在风险分层方面发挥作用。

“早期病变可能有非常不同的临床结果，”她说:“有些人患癌症的速度非常快，而另一些人则长时间停留在早期阶段。对癌症风险进行分级是癌症预防的一大挑战。”

为了了解染色质结构是否能提供未来癌症风险的线索，Liu和她的团队评估了Lynch综合症患者，Lynch综合症是一种遗传性疾病，会增加包括结肠癌在内的几种癌症的风险。他们观察了没有Lynch综合症的健康人的非癌结直肠组织，以及Lynch患者的个人癌症史。

差异是显著的。在之前患过结肠癌的患者中，Lynch的染色质比健康样本中要少得多，这表明染色质破裂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Lynch没有个人癌症病史的患者来说，有些人会发展成癌症，而有些人则不会。

“我们在这个群体中看到了更大的分布，这非常有趣，”Liu说。有些患者与健康对照组相似，而有些则与Lynch以前患过癌症的患者相似。我们认为染色质更开放的患者更容易患癌症。我们需要跟踪这些患者一段时间来衡量结果，但我们非常兴奋的是，正常细胞中的染色质中断可能预测癌症风险。”

在未来的工作中，Liu和她的团队对检查Lynch患者子宫内膜组织的染色质结构感兴趣，这些患者也有子宫内膜癌的高风险。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，以便早期发现肺癌。

Ultrastructural visualization of chromatin in cancer pathogenesis using a simple small-molecule fluorescent probe