Fixing cells with light and DNA-binding fluorophores

在细胞生物学的世界里，科学家们经常需要“停止时间”。为了了解一个活细胞是如何运作的，研究人员经常使用化学防腐剂将细胞固定在原地，锁定其内部结构，以便在显微镜下进行研究，而无需担心细胞移动或发生变化。这种被称为“固定”（fixation）的过程，通常是通过将一整组细胞浸泡在像甲醛这样的液体中来完成的。虽然这种方法很有效，但它有一个主要的缺陷：它对样本中的每一个细胞都采取同样的处理方式。它无法挑选出仅仅一个特定的细胞进行研究，同时让其邻居保持存活和移动。此外，所使用的化学物质有时会扭曲科学家试图观察的结构，特别是细胞核内精细的架构。几十年来，能够瞬间冻结单个处于自然状态的活细胞，且不使用化学物质并不对周围环境造成破坏，一直是一项难以实现的目标。

现在，一支研究团队发现了一种利用光和一种常见染料来实现这一目标的方法。通过将特定波长的光束照射在经过黄连碱（palmatine）处理的细胞上，他们可以瞬间且永久地冻结单个细胞或一小簇细胞。这种被称为“光固定”（optofixation）的过程在数秒内即可完成。光线触发了细胞内部的化学反应，使其内部机制变硬，从而停止所有运动并保持其形状。值得注意的是，细胞并没有以典型的光损伤方式死亡；相反，它变成了一个稳定的、带有标记的标本，保留了原始形态，允许科学家将其与活着的邻居一起进行研究。

这项发现始于研究人员测试各种天然染料在人体细胞中行为表现的过程。他们使用了黄连碱，这是一种从植物中提取的化合物，已知能与 DNA 紧密结合。当他们将这些处理过的细胞暴露在可见光下时，观察到了意想不到的情况。细胞不仅没有仅仅发出荧光，反而完全停止了移动。在细胞内部，那些通常像河流中的小船一样漂浮着的微小脂肪滴和其他细胞器，突然间被固定在了原地。研究人员测量了细胞内部的硬度，发现其硬度剧增，在数秒内将柔软、流动的细胞质转变为类固态。这种变化是不可逆的；一旦关闭光照，细胞将保持这种状态数天甚至数周，而周围未经处理的细胞则继续正常生活和移动。

使这一现象如此精准的原因在于，它只发生在光线照射到的地方。研究人员证明，他们可以在拥挤的培养皿中针对单个细胞进行冻结，而不影响其紧邻的邻居。他们也可以针对一小群细胞进行操作，同时让其余的群体不受影响。这种控制水平与传统方法有着显著不同，后者需要处理整个样本。该过程之所以奏效，是因为黄连碱染料在与 DNA 结合后，在受到光照时充当了催化剂。它产生一种特定类型的活性氧，导致细胞膜内的脂肪发生化学变化。这种变化产生了天然醛类，也就是传统化学固定剂中用于使蛋白质发生交联并锁定结构的同类分子。在这种新方法中，细胞本质上是在光的触发下，从内部制造出了自己的固定剂。

研究人员证实，这一过程不仅仅是一种细胞死亡或缓慢衰减的形式。他们检查了冻结细胞是否出现了凋亡（apoptosis，一种导致细胞皱缩和破碎的程序性细胞死亡过程）的迹象，并未发现任何迹象。细胞保持了正常的体积和形状，其细胞核看起来与施加光照前几乎完全一致。事实上，这种对核结构的保存效果似乎优于传统的化学固定法，后者往往会导致细胞核皱缩和变形。被成功冻结的细胞还会发出明亮的荧光，提供了一个内置的标签，使其在显微镜下易于识别。这种发光是由于染料与 DNA 结合而产生的直接结果，而这正是细胞在被固定时自然发生的现象。

为了确保这并非仅限于一种特定染料的偶然现象，团队测试了许多实验室中常用的其他 DNA 染色染料。他们发现，利用光冻结细胞的能力是许多不同类型的结合 DNA 的染料所共有的特征，其作用范围涵盖了从紫外光到远红光的广泛光谱。然而，这种效应严格依赖于染料与 DNA 结合的能力。那些染色细胞其他部分、或者无法进入活细胞细胞核的染料则不起作用。这证实了其机制依赖于光、染料与 DNA 之间的相互作用，从而触发内部的化学级联反应。

这一发现对于科学家研究复杂的生物系统具有重大意义。由于该方法可以作用于单个细胞，它为研究如何在一个活体组织内观察单个细胞的相互作用，而不破坏整个组织打开了大门。研究人员现在可以冻结一个特定的细胞，以观察它包含哪些蛋白质或其 DNA 是如何组织的，而与此同时，剩余的组织仍在继续发挥功能。这种能力对于研究三维结构（如类器官或发育中的胚胎）特别有用，因为在这些结构中，保持细胞的物理排列至关重要。研究人员还指出，该方法可以应用于多种细胞类型，包括人类癌细胞、正常细胞，甚至是斑马鱼胚胎细胞，这表明它是一个适用于众多生物学领域的强大工具。

虽然该过程涉及光照，而光有时会损伤细胞，但研究人员表明，结果很大程度上取决于暴露的强度和持续时间。如果光线太弱或染料不存在，细胞可能会仅仅是死亡或发生破坏其结构的损伤。但通过结合正确的黄连碱与光照，细胞可以平稳地过渡到固定状态，并保持其生物完整性。研究人员还发现，使用某些能够捕捉活性分子的化学清除剂可以停止或减缓这一过程，从而证实了其中涉及的具体化学路径。这种控制水平表明，该方法并非随机的意外，而是一种可以被用于精确科学探究的可重复物理现象。

这种新方法提供了一种弥合观察生命过程与分析静态结构之间鸿沟的方式。多年来，科学家们必须在“观察细胞运动”和“研究其冻结成分”之间做出选择，很少能在同一个实验中两者兼顾。通过“光固定”，从生命状态到保存状态的转变可以在眨眼之间完成，且发生在研究者选定的特定位置。被冻结的细胞在“存活”意义上是完好的，即它们不会解体，并且可以像传统固定的细胞一样进行进一步分析，例如进行特定蛋白质的染色。研究人员展示了抗体可以结合到这些经光固定的细胞内的蛋白质中，从而实现详细的分子图谱绘制，而无需使用严苛的化学处理。

该研究还强调了理解光对生物样本微妙影响的重要性。研究人员指出，使用强光观察细胞有时会引起非预期的变化，他们的工作表明，科学家在利用 DNA 结合染料观察活细胞时应当保持谨慎。在某些条件下，看似自然的生物学事件，实际上可能是光本身触发固定过程所导致的伪影。通过理解这一机制，研究人员可以更好地控制实验，并避免误读数据。

最终，这项工作引入了一个简单而强大的工具，它将常见的实验室染料转化为精准控制的媒介。它将一种标准的成像技术转化为一种选择性保存的方法，允许科学家捕捉单个细胞生命中的一个瞬间，并将其固定在那里进行详细研究。能够在其原生环境中冻结细胞（同时让其邻居保持存活和移动）的能力，为通过微观尺度观察生命的复杂性提供了新的窗口。随着研究人员不断探索这项技术的极限，它有望成为那些寻求理解驱动生物系统动态相互作用的人士的标准工具包的一部分。