将超声波提升到分子水平

由于美国加州理工学院蛋白质工程的发展，超声波可以用来成像人体深处的细胞和分子。

据说，研究人员已经设计出了一种叫做气泡的蛋白质壳纳米结构，这种结构可以反射声波，从而显示出对超声波技术有用的新特性。

经过修饰的气体囊泡显示出更明显的信号，使它们更容易成像;靶向特定的细胞类型;并帮助创建彩色超声图像。在未来，它们可以被应用到病人身上，使感兴趣的组织可视化。

“这有点像分子乐高积木工程，”化学工程助理教授米哈伊尔·夏皮罗(Mikhail Shapiro)说，他是一篇关于这项研究的新论文的高级作者ACS Nano．“我们可以在气体囊泡表面交换不同的蛋白质‘片段’，以改变它们的靶向特性，并以不同的颜色可视化多个分子。”

“今天，超声波主要是解剖学上的，”夏皮罗实验室的研究生、该研究的主要作者阿努帕玛·拉克什曼南(Anupama Lakshmanan)说。“我们希望将其降低到分子和细胞水平。”

气体囊泡自然存在于生活在水中的单细胞生物中，如Anabaena flos-aquae，这是一种形成多细胞链丝状团块的蓝藻细菌。这些气泡帮助生物体控制它们漂浮在水面上的量以及它们在水面上暴露在阳光下的量。在之前的一项研究中，夏皮罗意识到，在超声成像过程中，囊泡很容易反射声波，并在小鼠身上证明了这一点。

在目前的研究中，夏皮罗和他的团队开始通过改造气体囊泡蛋白C (GvpC)来赋予气体囊泡新的特性，GvpC是一种天然存在于囊泡表面的蛋白质，可以防止它们坍塌。这种蛋白质可以被设计成不同的大小，较长的蛋白质可以产生更强更硬的纳米结构。

“蛋白质就像飞机机身的框架杆。你用它们来确定结构的力学，”夏皮罗在一份声明中说。

在一项实验中，科学家们从气体囊泡中去除强化蛋白，然后将工程过的囊泡注射给小鼠，并进行超声成像。与正常的囊泡相比，修饰后的囊泡对声波的响应更多，并与谐波频率共振。根据加州理工学院的说法，在自然组织中不容易产生谐波，这使得囊泡在超声波图像中突出。

在另一组实验中，研究人员演示了如何制造气体囊泡来针对身体的某些组织。他们对囊泡进行基因改造，以显示各种细胞目标，比如一种氨基酸序列，可以识别肿瘤细胞中过度产生的称为整合素的蛋白质。

据说，该团队还展示了如何生成多色超声波图像。传统的超声图像是黑白的。夏皮罗的小组创造了一种方法，将三种不同类型的气体泡成像为不同的“颜色”，基于它们在压力下抗崩溃的不同能力。囊泡本身没有不同的颜色，但它们可以根据不同的性质分配颜色。

为了证明这一点，研究小组制作了三种不同版本的囊泡，它们具有不同强度的GvpC蛋白。然后他们增加超声波压力，导致变异种群相继崩溃。当每个群体都崩溃时，整体的超声波信号就会随着样本中该变体的数量成比例地下降，然后将这种信号变化映射到特定的颜色上。在未来，如果每个变异种群针对一种特定的细胞类型，研究人员将能够以多种颜色来观察细胞。

夏皮罗说:“你可能能够看到肿瘤细胞与攻击肿瘤的免疫细胞的对比，从而监测医疗的进展。”