《Cell》突破性成果：科学家们开发了第一种测量人体细胞随时间变化的方法

当物理学家还在争论时间是否真的像爱因斯坦所说的那样是一种幻觉时，生物学家毫不怀疑它对理解生命作为一个动态系统的重要性。近年来，科学家们利用各种工具对复杂的生物系统有了越来越深入的了解，这些工具可以同时分析大量的细胞和分子数据，并探测驱动疾病的细胞电路。然而，这些对细胞行为和相互作用的深入研究只提供了复杂生物体内部发生情况的单独快照，没有考虑时间维度，也无法揭示细胞事件的顺序。

在今天发表于《细胞》（Cell）杂志的一项新研究中，魏茨曼科学研究所Ido Amit教授实验室的研究人员首次开发出一种跟踪和测量体内单个细胞随时间变化的方法。这种方法被称为zman -seq(来自希伯来语zman，意思是“时间”)，这种方法有不同的“时间戳”标记细胞，并在健康或病理组织中跟踪它们。利用这种细胞时间机器，研究人员可以了解细胞的历史，以及每个细胞在组织中停留了多长时间，最终了解组织中发生的分子和细胞的时间变化。

单细胞技术是帮助生物学家能够了解单个细胞内部发生的事情的工具，近年来取得了长足的进展，这在很大程度上要归功于活跃的单细胞研究社区，Amit实验室是其中的先驱之一。有了这些工具，现在有可能获得疾病如何发展和身体如何对不同药物作出反应的高分辨率图像，识别罕见的细胞群，破译哪些细胞相互作用以及它们在组织中的空间分布。然而，所有这些重要的见解都相当于从电影中获取许多静止帧图像，从中试图理解情节。Amit说:“知道前因后果并不足以推断出因果关系，但如果没有这些知识，我们就没有机会真正理解因果关系。”

这项突破性新技术的发展始于Amit实验室博士后研究员Daniel Kirschenbaum博士的研究。Kirschenbaum出生在匈牙利，在瑞士获得神经病理学博士学位，在那里他研究了胶质母细胞瘤，这是最常见和最具攻击性的脑肿瘤。

他说:“我们通常认为癌症是细胞生长失控，但事实上，癌症也是身体，特别是免疫系统控制细胞生长能力的丧失。当你观察肿瘤时，它们的很大一部分是由功能失调的免疫细胞组成的，这些细胞有时占肿瘤中所有细胞的三分之一甚至一半。”

胶质母细胞瘤是最具免疫抑制性的肿瘤类型之一。Kirschenbaum解释说:“为了了解如何战胜这种癌症，我们需要了解免疫细胞进入肿瘤后发生了什么，以及为什么它们失去了对抗肿瘤的能力，变得功能失调。理想情况下，我们希望每个细胞都有一个小时钟，告诉我们它何时进入肿瘤，以及指示它变得无能的信号,和检查点何时被激活。但这种回到未来的时间机器被认为是不可能开发出来的。”

当Kirschenbaum决定采用一种不可思议的方法时，突破就出现了。

“我们不是试图测量肿瘤组织内细胞的时间，而是决定在细胞进入肿瘤之前，在它们还在血液中进行标记。通过在不同的时间点使用不同的荧光染料，这样之后就能够确切地知道每个细胞何时进入组织以及它在那里呆了多久，这揭示了组织中细胞发生的动态变化，例如，肿瘤内免疫细胞功能失调的不同阶段。”

Kirschenbaum补充说，我们面临的挑战在于开发出在特定时间点为血液中的细胞着色的最佳方法，确保染料不会到达组织本身或在血液中停留太久，从而可能会与下一种染料混合。同时，染料必须在细胞上停留足够长的时间，以便对它们进行测量。作为研究的一部分，Amit实验室的研究人员表明，这种方法可以测量动物模型中不同组织(大脑、肺和消化系统)免疫细胞中的时间。

利用Zman-seq, Kirschenbaum等人深入了解免疫系统在对抗胶质母细胞瘤时为何会功能失调的原因。

“例如，我们发现，被称为自然杀伤细胞的免疫细胞，顾名思义，对杀死流氓细胞至关重要，很快就会变得功能失调，因为肿瘤劫持了它们的杀伤机制——这发生在它们进入肿瘤后不到24小时内。这就解释了为什么利用免疫系统对抗胶质母细胞瘤的治疗尝试是如此的无效，”Kirschenbaum说。

现在，Amit实验室的研究人员正在开发阻断免疫功能被破坏的肿瘤检查点的方法，以便重新激活胶质母细胞瘤和其他难以治疗的肿瘤的免疫系统。此外，他们计划将Zman-seq应用于整个人体细胞的时间动力学研究。“许多癌症患者在手术前接受治疗。我们想用这种方法在这段时间内给体内的免疫细胞着色，这样在手术后，我们就能更好地了解肿瘤中免疫细胞的动态，并优化患者的治疗。”

Amit说：“直到今天，有很多不同的方法试图分析单细胞数据，并根据不同的参数沿时间轴排列它们。但这些方法在选择事件的顺序时都有些武断，Zman-seq提供了‘确凿的事实’，这些经验性的测量结果使科学家们能够了解免疫细胞和其他细胞进入肿瘤时所经历的精确事件顺序，这可能会带来一种全新的思路，即如何针对癌症和其他疾病获得更有效的疗法”