《Cell》突破性新方法“Zman-seq”解开细胞时间的秘密

研究人员已经开发出一种突破性的方法，称为Zman-seq，用于跟踪体内单个细胞随时间的变化。这种用时间戳标记细胞的方法，极大地促进了我们对细胞动力学的理解，特别是在理解胶质母细胞瘤等疾病方面。Zman-seq能够追踪分子和细胞变化的历史和序列，为复杂生物系统的研究提供了新的视角，并为开发更有效的癌症和其他疾病治疗方法铺平了道路。

　　

这项被称为Zman-seq的技术揭示了细胞的历史，有可能推动癌症和各种其他疾病的创新治疗方法的创造。

当物理学家继续争论阿尔伯特·爱因斯坦关于时间是一种幻觉的论断时，生物学家确信时间对于理解生命作为一个动态系统的重要性。最近，生物学家加深了他们对复杂生物系统的理解。他们通过使用先进的工具来分析大量的细胞和分子数据，并通过检查导致疾病的细胞网络来实现这一目标。然而，这些对细胞行为和相互作用的深入研究只提供了复杂生物体内部发生的事情的单独快照，而没有考虑时间维度和揭示细胞事件的顺序。

现在，在最近发表在《细胞》(Cell)杂志上的一项新研究中，魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)Ido Amit教授实验室的研究人员首次设法开发出一种方法，可以跟踪和测量体内单个细胞随时间的变化。这种方法被称为Zman-seq(来自希伯来语Zman，意思是“时间”)，它包括用不同的时间戳标记细胞，并在健康或病理组织中跟踪它们。

利用这种细胞时间机器，研究人员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。

单细胞技术的进步与局限

单细胞技术是使生物学家能够了解单个细胞内部发生的事情的工具，近年来取得了显著进展，这在很大程度上要归功于充满活力的单细胞研究社区，Amit的实验室是其中的先驱之一。有了这些工具，现在有可能获得疾病如何发展和身体如何对不同药物作出反应的高分辨率图像，识别罕见的细胞群，破译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电影中获取许多静止帧图像并试图理解情节。Amit说:“知道前因后果并不足以推断出因果关系，但如果没有这些知识，我们就没有机会真正理解因果关系。”

这项突破性新技术的发展始于Amit实验室博士后研究员Daniel Kirschenbaum博士的研究。Kirschenbaum出生在匈牙利，在瑞士获得神经病理学博士学位，在那里他研究了胶质母细胞瘤，这是最常见和最具攻击性的脑肿瘤。他说:“我们通常认为癌症是细胞生长失控，但事实上，癌症也是身体，特别是免疫系统控制细胞生长能力的丧失。当你观察肿瘤时，它们的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。”

胶质母细胞瘤是最具免疫抑制性的肿瘤类型之一。Kirschenbaum解释说:“为了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，以及为什么它们失去了对抗肿瘤的能力，变得功能失调。理想情况下，我们希望每个细胞都有一个小时钟，告诉我们它何时进入肿瘤，以及指示它变得无能的信号和检查点何时被激活。这台回到未来的时间机器被认为是不可能开发出来的。”

当Kirschenbaum决定采用一种不可思议的方法时，突破就出现了。“我们不是试图测量肿瘤组织内细胞的时间，而是决定在细胞进入肿瘤之前，在它们还在血液中进行标记。通过在不同的时间点使用不同的荧光染料，我们后来能够确切地知道每个细胞何时进入组织以及它在那里呆了多久，这揭示了组织中细胞发生的动态变化，例如，肿瘤内免疫细胞功能失调的不同阶段。”

Zman-seq的方法论和见解

Kirschenbaum补充说，挑战在于开发出在特定时间点为血液中的细胞着色的最佳方法，确保染料不会到达组织本身或在血液中停留太久，可能会与下一种染料混合。同时，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。作为研究的一部分，Amit实验室的研究人员表明，这种方法可以测量动物模型中不同组织(大脑、肺和消化系统)免疫细胞中的时间。

利用Zman-seq, Kirschenbaum和他的同事们能够深入了解免疫系统在对抗胶质母细胞瘤时如此功能失调的原因。“例如，我们发现，被称为自然杀伤细胞的免疫细胞，顾名思义，对杀死流氓细胞至关重要，很快就会变得功能失调，因为肿瘤劫持了它们的杀伤机制——这发生在它们进入肿瘤后不到24小时内。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是如此的无效，”Kirschenbaum说。

Weizmann系统免疫学系的Amit实验室的其他成员，包括Ken Xie博士和Florian Ingelfinger博士，为Zman-seq的发展做出了贡献。合作者包括华盛顿大学免疫学家Marco Colonna教授、德克萨斯大学Katayoun Rezvani教授、上海免疫研究所的Florent Ginhoux教授、苏黎世大学医院的神经肿瘤学家Tobias Weiss博士、慕尼黑亥姆霍兹中心的计算生物学家Fabian J. Theis教授和魏茨曼研究所的Nir Yosef教授。

现在，Amit实验室的研究人员正在开发阻断免疫功能丧失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以治疗的肿瘤的免疫系统。此外，他们计划将Zman-seq应用于整个人体细胞的时间动力学研究。“例如，许多癌症患者在手术前接受治疗。我们想用这种方法在这段时间内给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，并优化患者的治疗。”

“直到今天，有很多不同的方法试图分析单细胞数据，并根据不同的参数沿时间轴排列它们。但这些方法在选择事件的顺序时都有些武断，”Amit说。“Zman-seq提供了‘确凿的事实’，经验测量使科学家能够了解免疫细胞和其他细胞进入肿瘤时所经历的事件的精确顺序，这可能会导致如何为癌症和其他疾病产生更有效的治疗方法的全新思考。”

参考:“Time-resolved single-cell transcriptomics defines immune trajectories in glioblastoma” by Daniel Kirschenbaum, Ken Xie, Florian Ingelfinger, Yonatan Katzenelenbogen, Kathleen Abadie, Thomas Look, Fadi Sheban, Truong San Phan, Baoguo Li, Pascale Zwicky, Ido Yofe, Eyal David, Kfir Mazuz, Jinchao Hou, Yun Chen, Hila Shaim, Mayra Shanley, Soeren Becker, Jiawen Qian, Marco Colonna, Florent Ginhoux, Katayoun Rezvani, Fabian J. Theis, Nir Yosef, Tobias Weiss, Assaf Weiner and Ido Amit, 21 December 2023, Cell.