新技术为细胞分配更准确的死亡时间

很难判断脑细胞何时死亡。在显微镜下看起来不活跃和支离破碎的神经元可以在一种生死攸关的状态下持续数天，有些在表现出惰性后突然又开始发出信号。对于研究神经退行性疾病的研究人员来说，由于神经元缺乏精确的“死亡时间”声明，因此很难确定导致细胞死亡的因素以及筛选可能使衰老细胞免于死亡的药物。

现在，格莱斯顿研究所的研究人员开发了一种新技术，可以让他们一次跟踪数千个细胞，并确定该组中任何细胞的精确死亡时刻。该团队在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中表明，该方法适用于啮齿动物和人类细胞以及活斑马鱼，并可用于在数周至数月的时间内跟踪细胞。

“获得准确的死亡时间对于解开神经退行性疾病的因果关系非常重要，” Gladstone 系统与治疗中心主任、两项新研究的资深作者Steve Finkbeiner医学博士说。“它让我们弄清楚哪些因素直接导致细胞死亡，哪些是偶然的，哪些可能是延迟死亡的应对机制。”

在发表在《科学进展》杂志上的一篇配套论文中，研究人员将细胞传感器技术与机器学习方法相结合，教计算机以比人类快 100 倍的速度和更准确的速度区分活细胞和死细胞。

“大学生们花了几个月的时间手工分析这些数据，而我们的新系统几乎是即时的——它实际上运行速度比我们在显微镜上获取新图像的速度还要快，”芬克拜纳大学科学项目负责人杰里米·林斯利博士说实验室和两篇新论文的第一作者。

教授旧传感器新技巧

当细胞死亡时——不管是什么原因或机制——它们最终会变得支离破碎，它们的细胞膜会退化。但是这种降解过程需要时间，这使得科学家们很难区分早已停止功能的细胞、生病和垂死的细胞以及健康的细胞。

研究人员通常使用荧光标签或染料随着时间的推移用显微镜跟踪患病细胞，并尝试诊断它们在这个降解过程中的位置。已经开发了许多指示染料、染色剂和标签来区分已经死亡的细胞和仍然活着的细胞，但它们通常只在褪色前的短时间内起作用，并且在使用时也可能对细胞有毒。

“我们真的想要一个能持续整个细胞生命周期的指标——而不仅仅是几个小时——然后只有在细胞死亡的特定时刻之后才会给出明确的信号，”林斯利说。

Linsley、Finkbeiner 和他们的同事选择了钙传感器，最初设计用于跟踪细胞内的钙水平。当细胞死亡并且其细胞膜渗漏时，一个副作用是钙会涌入细胞的水样胞质溶胶中，而这种胞质溶胶通常具有相对较低的钙含量。

因此，林斯利将钙传感器设计为驻留在细胞质中，只有当钙水平增加到表明细胞死亡的水平时，它们才会发出荧光。这种被称为基因编码死亡指示器(GEDI，发音为星球大战中的绝地)的新传感器可以插入任何类型的细胞中，并在细胞的整个生命周期内发出细胞是活着还是死亡的信号。

为了测试重新设计的传感器的实用性，该小组将大量神经元(每个都包含 GEDI)置于显微镜下。在对超过一百万个细胞进行可视化后，在某些情况下容易发生神经退行性变，而在其他情况下，这些细胞会暴露于有毒化合物中，研究人员发现 GEDI 传感器比其他细胞死亡指标要准确得多：没有一个传感器是被激活并且一个细胞仍然活着。此外，除了这种准确性之外，GEDI 似乎还比以前的方法更早地检测到细胞死亡——接近细胞死亡的“不归路”。

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