重新審視光毒性

編譯 李升偉

光能成像的能力使我們更深入理解生物學(xué)。當(dāng)前的顯微鏡學(xué)方法可以在接近實(shí)時(shí)和超級(jí)分辨率的條件下對(duì)整個(gè)細(xì)胞、組織和生物體進(jìn)行過(guò)程跟蹤分析。但是，要獲得更快、更高分辨率、更高信噪比和更深層次的成像，經(jīng)常需要比自然條件下生物學(xué)樣品實(shí)驗(yàn)所需的光劑量大很多個(gè)數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)在大家都很清楚，這樣的光劑量，在一些情況下，不論是什么樣的光，都會(huì)對(duì)樣品的性質(zhì)和活性產(chǎn)生負(fù)面影響。

這種現(xiàn)象一般稱為光損傷或光毒性，得到了廣泛觀察，但是極少得到報(bào)道。實(shí)際上，這些變化對(duì)成像實(shí)驗(yàn)的影響程度難以評(píng)估。然而，由于用于研究活體標(biāo)本的顯微鏡方法正在迅速發(fā)展并日益成為一種普遍需求，所以現(xiàn)在是研究人員更加定量地認(rèn)識(shí)光對(duì)樣品影響的時(shí)候了。

這并不是說(shuō)，光毒性問(wèn)題還沒(méi)有得到系統(tǒng)的研究。在大量基礎(chǔ)性研究的基礎(chǔ)上，人們已經(jīng)進(jìn)行了一些關(guān)鍵的研究。例如，波長(zhǎng)較短的光波對(duì)細(xì)胞損傷更大，光線越少越好，而且不同的樣品對(duì)光波有不同的敏感性；再如，光照的性質(zhì)和時(shí)間會(huì)影響結(jié)果，即使在總光劑量恒定的情況下也是如此。

盡管取得了這些重要的研究成果，但如何為某個(gè)確定的生物樣本選擇最佳成像模式是極具挑戰(zhàn)的。這部分由于顯微鏡學(xué)所面臨的生物多樣性問(wèn)題。近期，來(lái)自耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院貝韋爾斯多夫?qū)嶒?yàn)室的一項(xiàng)研究報(bào)道了受激發(fā)射損耗（STED）納米顯微鏡是否與培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的細(xì)胞活體熒光成像相兼容。這是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題，因?yàn)镾TED顯微鏡所需要的光劑量要求是超級(jí)分辨率成像中最高的。

在這項(xiàng)工作中，研究人員既評(píng)估短期，又分析長(zhǎng)期，來(lái)評(píng)估光劑量對(duì)細(xì)胞健康的影響。研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞進(jìn)行STED成像后，短期幾乎沒(méi)有對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生壓力，而長(zhǎng)期生存能力也能保持良好。這至少表明，對(duì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，STED成像并不意味著細(xì)胞一定會(huì)死亡——這個(gè)結(jié)果可能會(huì)讓很多人感到震驚。他們還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型相當(dāng)重要，并對(duì)細(xì)胞中那些光損傷敏感的特定蛋白質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記；在含氧清除劑的緩沖液中成像通常可以減少細(xì)胞短期壓力。

這項(xiàng)研究雖然對(duì)使用或考慮使用STED的人很重要，但還不具有普適性。例如，研究人員只分析了兩種細(xì)胞類型，并在所有實(shí)驗(yàn)中都使用了一種單一的遠(yuǎn)紅外染料，這使得他們的結(jié)果是否適用于其他顏色光以及其他樣本的成像尚不清楚。此外，同一個(gè)樣品，與未成像相比，STED成像樣品中存活的細(xì)胞更少，這表明在STED納米顯微鏡中不能完全忽略光毒性。然而，為了更好地了解光對(duì)生物學(xué)觀測(cè)的影響程度，這類系統(tǒng)的研究仍需進(jìn)行。

一段時(shí)間以來(lái)，《自然·方法》雜志一直要求研究人員描述活體成像的光毒性實(shí)驗(yàn)。該雜志將繼續(xù)鼓勵(lì)這種評(píng)估，并強(qiáng)烈希望在同行評(píng)議時(shí)也將這項(xiàng)內(nèi)容納入其中。隨著該領(lǐng)域建立測(cè)量光毒性的標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)O(shè)想這將成為那些涉及描述活樣品成像的研究的必備內(nèi)容。

由于光毒性在很大程度上取決于樣品、研究的問(wèn)題和儀器，雜志并不要求任何研究都進(jìn)行特定的化驗(yàn)分析，但要求作者必須通過(guò)生物學(xué)方法演示來(lái)證實(shí)其采用的研究方法與研究具有匹配性。例如，細(xì)胞生物學(xué)家使用一種新的方法來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)胞短時(shí)間內(nèi)的分泌物，這往往會(huì)選擇成像后再測(cè)試短期壓力，其實(shí)同時(shí)，可采用一種不通過(guò)成像的黑暗對(duì)照，來(lái)研究成像是否影響分泌物。

2017年，一篇發(fā)表在《自然·方法》雜志的評(píng)論文章描述了光毒性，研究人員增強(qiáng)光照，直到他們觀察到光毒性效應(yīng)，這樣就可以確保以后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)使用的光遠(yuǎn)低于有毒水平，使得細(xì)胞受壓和活性不受影響。雜志還歡迎從事新光學(xué)裝置開(kāi)發(fā)的研究人員，在研究報(bào)告明確樣品成像時(shí)的光功率密度設(shè)置，以便交叉對(duì)比研究。

這種評(píng)估的好處是巨大的。首先，《自然》雜志希望使生物學(xué)家和潛在用戶更清楚哪些方法和光學(xué)裝置是有用的，哪些是沒(méi)用的，從而減少假象并促進(jìn)發(fā)現(xiàn)。這些類型的分析還將促進(jìn)我們對(duì)光毒性現(xiàn)象的一攬子認(rèn)識(shí)，并提高對(duì)研究對(duì)象廣泛本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。最后，隨著時(shí)間的推移，各種樣品類型和顯微鏡的分析標(biāo)準(zhǔn)將出現(xiàn)，這將有利于促進(jìn)各種方法之間的比較研究。

資料來(lái)源 Nature Methods