自从1974年第一个条形码出现在口香糖包装上以来，这个现在无处不在的系统使制造商、零售商和消费者能够快速有效地识别、表征、定位和跟踪产品和材料。在《细胞》杂志于2021年11月26日首次发布的一篇论文中，约翰·霍普金斯医学院和约翰·霍普金斯大学的研究人员展示了他们如何在分子水平上做同样的事情，研究癌细胞之间“交谈”的方式，使用的是一种不同类型的条形码系统——条形码系统由图案和颜色的组合组成，每一组都与交流网络中特定的生化活性相联系。
“当癌细胞交流时，许多蛋白质不断地改变它们彼此之间相互作用的方式，”资深研究作者、约翰霍普金斯大学医学院病理学助理教授黄传祥(Bear)医学博士说。“深入和实时研究这种信号一直是困难的，所以我们需要一种方法，可以同时成像、跟踪和分析网络中发生的一切，从而揭示这些活动之间的真实关系。”
黄教授说，基因编码荧光生物传感器以前被用于研究细胞蛋白质功能，包括癌细胞中的信号活动。生物传感器是标记有荧光体的蛋白质片段——荧光分子通过吸收特定波长的光能发光，然后发出更长的光——每一种颜色都与细胞中的特定活动有关。利用荧光显微镜对这些传感器显示的颜色的类型、位置和强度进行成像，研究人员可以准确、准确地记录在不同细胞区域中活动的蛋白质。
黄教授说:“例如，特定颜色强度的变化，它们在细胞中的位置，以及一种颜色与另一种颜色的比例，都能揭示被研究蛋白质的活性水平，以及它们是如何实时相互作用的。”
然而，黄说，当研究人员需要跟踪一个复杂的系统，如癌细胞通信网络时，荧光生物传感器的用处有限。他解释说，这是因为不同的生物传感器通常有非常相似的颜色，当一起成像时无法区分彼此。
“在过去,如果你想看几十跟踪活动不同的蛋白质的生物传感器信号网络,每个生物传感器必须反映在单独的实验,持续了几个小时,”研究报告的主要作者说Jr-Ming Yang博士研究员约翰·霍普金斯大学医学院的。此外，为了了解通信网络的特性，这些实验必须重复进行。除了投入时间外，单独的成像运行增加了出现变化的可能性，使得很难确定活动的变化来自实际影响。”
黄和他的同事们通过结合不同颜色的荧光蛋白和定位模式来创建“生物传感器条形码”，克服了这些问题，这种工具可以同时识别和跟踪各种蛋白质的大量生物传感器，包括那些驱动癌症形成的蛋白质。
“为了同时跟踪多个信号蛋白活动，我们将不同的生物传感器与单个细胞中的特定条形码配对，然后使用延时显微镜将它们混合并成像，”黄说。“由于每个细胞都有不同的条形码，我们也可以使用这种方法来识别混合细胞中的不同群体，并研究它们是如何相互交流的。”
黄教授说，这些图像是通过人工智能机器学习系统进行分析的，该系统是由该研究的共同作者、实验室博士后迟伟宇博士创建的。
Chi说:“人工智能分析使我们能够在几秒钟而不是几小时内读取条形码，这是观察不同蛋白质的活性如何随时间同步的关键一步。”
黄教授说:“通过生物传感器条形码，我们希望对致癌基因(启动癌细胞发育的基因)如何影响癌细胞之间的交流，以及与免疫系统使用的其他网络之间的交流，获得比以往任何时候都更深入和更全面的认识。”“这些发现有助于指导新的干预措施和治疗。”
