在低分辨率（左）和高分辨率（右）下的小鼠大腦組織中，紅外光譜學可將星形膠質細胞與神經元分辨開來。

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為了觀察細胞，研究人員經常不得不“虐待”它：把它從“家”里揪出來，用有毒的固定液浸泡它，修改它的DNA，強迫它產生可能會擾亂生物化學性質的異質蛋白質。即便這個細胞能夠存活下來，它永遠也不可能是原來的那個細胞了。但未來有一天，一束強大而溫柔的光線或可讓研究人員在不傷害細胞并使其存活以用于其他研究的情況下對其進行歸類。

美國加州勞倫斯·伯克利國家實驗室（LBNL）生物物理學家Cynthia McMurray和物理學家Michael Martin帶領的一個團隊發現，通過用同步加速器產生的紅外輻射強光掃描細胞，它們會捕捉到一種可揭示細胞特點的生物化學標記。

研究人員在今年6月于英國舉行的一次會議上報告了該方法的初步結果，現在，他們在用陳扎克伯格倡議（CZI）為期1年的試驗撥款對其進行評估。如果該方法可以起作用，該團隊的光譜表型技術將可以為另一個由CZI支持的項目提供工具，這個名為“人類細胞圖集”的國際合作項目旨在繪制人體內每個細胞的種類和位置。如果該同步加速器驅動方法適用于其他實驗室和醫院使用的更加柔和的紅外儀器，那么光譜表型技術未來有一天或可幫助診斷疾病、探測導致疾病的細胞變化并了解胚胎的發育。“我們使用的工具將會讓這個領域煥然一新。”McMurray預測。

熟悉這一未發表成果的科學家稱該方法具有前景。英國曼徹斯特大學光譜學家Peter Gardner說：“我很期待看到這項研究的結果。”都柏林理工學院化學物理學家Hugh Byrne對該團隊如何徹底測試該方法印象深刻。他表示，“這是證明該技術潛力的恰當研究”。

Martin和McMurray喜歡把他們的方法與另一種廣泛使用的細胞鑒別技術作對比：熒光標記。為了刺激特定種類的細胞產生諸如綠色熒光蛋白（GFP）的標記，科學家需要給它們裝備相關分子基因。但加入DNA的技術會改變細胞，因為GFP對它們來說是外來的——來自于一種水母，且會改變細胞的生理機能。此外，McMurray指出，研究人員通常需要用激光照射熒光標簽使其發光，這會損傷或殺死細胞。其他技術也具有一定的侵入性。“如果做標記或染色，就會改變細胞的真正化學性質。”Martin說，“我們想要探索細胞的化學性質，而非對它作出改變后進行測量。”

這正是紅外光譜技術的用武之地。“紅外線沒有侵入性，因此，它可被用于未受損傷的組織和活體細胞。”McMurray說。當一個樣本被暴露在不同波長的紅外輻射下時，它吸收的每個波段的紅外光量可以表明其中含有的化學物質群的種類。與熒光標記不同，這種吸收模式通常不會揭示細胞是否在產生一種特殊分子，例如免疫受體CD4或CD8，它們經常被用于界定兩類T細胞。但細胞的紅外光譜特征的確可以揭示廣泛的細胞種類，例如脂肪和蛋白質，從而提供生物化學指紋。因此，“你可以得到更全面的細胞圖像”，Byrne說。

Martin和McMurray說，標準的紅外來源并不能提供他們所需要的敏感性，因此該團隊轉而使用LBNL的先進光源同步加速器，其產生的紅外光束是世界上最亮的光束之一。Martin說：“它可以讓我們得到更高的分辨率和保真度。”在6月份于格拉斯哥舉行的SPEC2018會議上，McMurray和Martin說，它們可以區別小鼠大腦切片中的兩種腦細胞——神經元和星形膠質細胞。在模擬亨廷頓氏病癥狀的嚙齒類動物腦組織中，它們也能檢測出表明器官退化的脂肪增多。未來，研究人員計劃通過征募機器學習算式選出每個細胞種類的特征，讓細胞分辨自動化。

McMurray和同事仍然需要決定細胞的光譜標簽是否會在體內保持一致，還是會隨著位置而變化。作為潛在的醫療用途，他們還希望了解當個人細胞的紅外標簽發生改變時，這個人是否會生病。然而，到目前為止，研究人員僅僅分析了小鼠的組織。“我們想要確保這種方法的穩健性。”McMurray說。

新技術有一個明顯的限制，同步加速器體積龐大、成本高昂，而且十分稀少，它們經常有著要等待數月的研究名單。“你不可能把同步加速器帶進醫院。”Gardner說。但他指出，實驗室設備正在迅速向能夠產生粒子加速器的紅外光強度靠攏。McMurray補充說，在使用同步加速器確定各種細胞類型的獨特光譜模式后，研究人員計劃發布一個目錄，讓其他科學家能夠比較自己的樣本結果，即使是用識別能力較低的實驗室設備得到的結果。

Gardner期待該項目能有一定影響。“他們有工具、有技術，還有專家，可以讓這項工作加速推進。”