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免疫学单细胞研究新技术

免疫学单细胞研究新技术
人体的免疫系统是一个非常庞大,而且非常分散、各自为政(decentralized)的守卫大军。尽管有数十亿分工明确的免疫细胞不停地守护着人体的安全,但是我们很难明确指出,在某个时刻、某个地方,哪个免疫细胞在执行什么任务。随着蛋白质组学技术和基因组学技术的发展,科研人员也在不断加深他们对人体免疫系统的认识和了解。研究人体免疫系统是一个非常庞大的工程,这项工作产生的数据量将会是人类基因组计划(Human Genome Project)数据量的1000亿倍。

数十年来,免疫学家主要依靠流式细胞技术(flow cytometry)开展免疫学研究,并通过不同的荧光标签对细胞进行标记和研究。近8、9年来,该领域又兴起了质谱流式细胞技术(mass cytometry,又名CyTOF)。该技术主要利用金属离子对细胞进行标记,它为科研人员提供了更多与肿瘤、结核和疟疾等病理状态下的免疫反应有关的信息。

可是,这些技术也只能一窥皮毛,无法真正了解T细胞和B细胞的详细工作情况。据美国纽约斯隆凯特琳癌症中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center in New York City)的分子生物学家Jennifer Sims介绍,由于这些细胞都会表达独特的蛋白质分子,比如T细胞受体和B细胞受体,所以也能地识别特异性的靶标,并做出相应的反应,而且这一系列生理过程还都在不断的进化之中。免疫细胞可以说是人体内“有个性”的细胞了。

这些细胞表面受体能够识别各种病原体和肿瘤细胞表达的各种特异性的分子和抗原。一旦受体侦测到有害的抗原,它们就会激活免疫细胞,使其增殖,并且转移到有害物质所在位置,发动免疫攻击。每一个受体都是由免疫细胞内大量的基因重排之后编码而成的。上个月,美国芝加哥市召开了美国癌症研究学会(American Association for Cancer Research),其中有一个分会场就是专门讨论T细胞分析技术的。在我们一生中,这些与疾病斗争的免疫细胞可以表达出1020个不同的受体,Sims就是这个专场的主席。

科研人员希望通过对这些受体(包括B细胞受体)的研究能揭开人体免疫系统进化,以及对抗疾病之谜。可是流式细胞技术只能获得非常粗浅的信息,比如哪些细胞增多了,哪些细胞变少了,而免疫受体分析技术(immune-receptor profiling method)则可以明确指出哪一些细胞克隆参与了免疫反应。据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)的化学物理学家Alex Shalek介绍,科研人员为了研究这些特化的受体,以及进一步提高单细胞分析技术,又开发出了一大批以测序为基础的研究手段。Shalek自己的实验室也开发了一系列的工具,来研究这些免疫细胞在正常和病理状态下,彼此之间是如何相互作用的。Shalek设想,正如DNA仅仅依靠ATGC这四个“字母”就可以编码出大量的基因,从理论上来说,如果利用特异性的DNA小片段对抗体进行标记,也可以标记无数抗体蛋白。

而且,这些试验技术还可以极大地丰富免疫学的研究手段,比如科研人员就可以借此开展转录组学研究工作等。虽然目前这些技术还不如流式细胞技术那么完善和成熟,但是这些以测序技术为基础的研究手段可以在任何一个有测序仪的实验室开展,也可以在医院、诊所里使用。未来随着测序仪的小型化和便携化,还可以在更多的地方得到应用。科研人员现在至少有6种商业化的系统可以选择,也可以设计适合自己需要的试验方法,来研究单个免疫细胞里的RNA和蛋白质,将隐藏在这些RNA和蛋白质里的秘密破译成DNA测序仪可以轻而易举解读的“明码文件”。

Sims认为,综上所述,这些新技术都可以帮助科研人员用更精细的手段去认识不同免疫细胞在不同病理微环境下的活动和作用。

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