新方法“Zman-seq”解開細胞時間的秘密

這項被稱為Zman-seq的技術揭示了細胞的歷史，有可能推動癌癥和各種其他疾病的創新治療方法的創造。

當物理學家繼續爭論阿爾伯特·愛因斯坦關于時間是一種幻覺的論斷時，生物學家確信時間對于理解生命作為一個動態系統的重要性。最近，生物學家加深了他們對復雜生物系統的理解。他們通過使用先進的工具來分析大量的細胞和分子數據，并通過檢查導致疾病的細胞網絡來實現這一目標。然而，這些對細胞行為和相互作用的深入研究只提供了復雜生物體內部發生的事情的單獨快照，而沒有考慮時間維度和揭示細胞事件的順序。

現在，在最近發表在《細胞》(Cell)雜志上的一項新研究中，魏茨曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)Ido Amit教授實驗室的研究人員**設法開發出一種方法，可以跟蹤和測量體內單個細胞隨時間的變化。這種方法被稱為Zman-seq(來自希伯來語Zman，意思是“時間”)，它包括用不同的時間戳標記細胞，并在健康或病理組織中跟蹤它們。

利用這種細胞時間機器，研究人員可以了解細胞的歷史，以及每個細胞在組織中停留了多長時間，最終了解組織中發生的分子和細胞時間變化。

單細胞技術的進步與局限

單細胞技術是使生物學家能夠了解單個細胞內部發生的事情的工具，近年來取得了顯著進展，這在很大程度上要歸功于充滿活力的單細胞研究社區，Amit的實驗室是其中的先驅之一。有了這些工具，現在有可能獲得疾病如何發展和身體如何對不同藥物作出反應的高分辨率圖像，識別罕見的細胞群，破譯哪些細胞相互作用以及它們在組織中的空間分布。然而，所有這些重要的見解都相當于從電影中獲取許多靜止幀圖像并試圖理解情節。Amit說:“知道前因后果并不足以推斷出因果關系，但如果沒有這些知識，我們就沒有機會真正理解因果關系。”

這項突破性新技術的發展始于Amit實驗室博士后研究員Daniel Kirschenbaum博士的研究。Kirschenbaum出生在匈牙利，在瑞士獲得神經病理學博士學位，在那里他研究了膠質母細胞瘤，這是最常見和最具攻擊性的腦腫瘤。他說:“我們通常認為癌癥是細胞生長失控，但事實上，癌癥也是身體，特別是免疫系統控制細胞生長能力的喪失。當你觀察腫瘤時，它們的很大一部分是由功能失調的免疫細胞組成的，這些細胞有時占腫瘤中所有細胞的三分之一甚至一半。”

膠質母細胞瘤是最具免疫抑制性的腫瘤類型之一。Kirschenbaum解釋說:“為了了解如何戰勝這種癌癥，我們需要了解免疫細胞進入腫瘤后發生了什么，以及為什么它們失去了對抗腫瘤的能力，變得功能失調。理想情況下，我們希望每個細胞都有一個小時鐘，告訴我們它何時進入腫瘤，以及指示它變得無能的信號和檢查點何時被激活。這臺回到未來的時間機器被認為是不可能開發出來的。”

當Kirschenbaum決定采用一種不可思議的方法時，突破就出現了。“我們不是試圖測量腫瘤組織內細胞的時間，而是決定在細胞進入腫瘤之前，在它們還在血液中進行標記。通過在不同的時間點使用不同的熒光染料，我們后來能夠確切地知道每個細胞何時進入組織以及它在那里呆了多久，這揭示了組織中細胞發生的動態變化，例如，腫瘤內免疫細胞功能失調的不同階段。”

Zman-seq的方法論和見解

Kirschenbaum補充說，挑戰在于開發出在特定時間點為血液中的細胞著色的**方法，確保染料不會到達組織本身或在血液中停留太久，可能會與下一種染料混合。同時，染料必須在細胞上停留足夠長的時間，以便對它們進行測量。作為研究的一部分，Amit實驗室的研究人員表明，這種方法可以測量動物模型中不同組織(大腦、肺和消化系統)免疫細胞中的時間。

利用Zman-seq, Kirschenbaum和他的同事們能夠深入了解免疫系統在對抗膠質母細胞瘤時如此功能失調的原因。“例如，我們發現，被稱為自然殺傷細胞的免疫細胞，顧名思義，對殺死流氓細胞至關重要，很快就會變得功能失調，因為腫瘤劫持了它們的殺傷機制——這發生在它們進入腫瘤后不到24小時內。這就解釋了為什么利用免疫系統對抗膠質母細胞瘤的治療嘗試是如此的無效，”Kirschenbaum說。

Weizmann系統免疫學系的Amit實驗室的其他成員，包括Ken Xie博士和Florian Ingelfinger博士，為Zman-seq的發展做出了貢獻。合作者包括華盛頓大學免疫學家Marco Colonna教授、德克薩斯大學Katayoun Rezvani教授、上海免疫研究所的Florent Ginhoux教授、蘇黎世大學醫院的神經腫瘤學家Tobias Weiss博士、慕尼黑亥姆霍茲中心的計算生物學家Fabian J. Theis教授和魏茨曼研究所的Nir Yosef教授。

現在，Amit實驗室的研究人員正在開發阻斷免疫功能喪失的腫瘤檢查點的方法，以便重新激活膠質母細胞瘤和其他難以治療的腫瘤的免疫系統。此外，他們計劃將Zman-seq應用于整個人體細胞的時間動力學研究。“例如，許多癌癥患者在手術前接受治療。我們想用這種方法在這段時間內給體內的免疫細胞著色，這樣在手術后，我們就能更好地了解腫瘤中免疫細胞的動態，并優化患者的治療。”

“直到今天，有很多不同的方法試圖分析單細胞數據，并根據不同的參數沿時間軸排列它們。但這些方法在選擇事件的順序時都有些武斷，”Amit說。“Zman-seq提供了‘確鑿的事實’，經驗測量使科學家能夠了解免疫細胞和其他細胞進入腫瘤時所經歷的事件的精確順序，這可能會導致如何為癌癥和其他疾病產生更有效的治療方法的全新思考。”

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