这些生物医学美图，比课本上的好看一万倍

来源丨学术经纬（ID：Global_Academia）

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隶属于麻省理工学院（MIT）的科赫研究所（Koch Institute）是全球最富盛名的癌症研究中心之一。它因其层出不穷的突破性科学发现而闻名，也因为其致力挖掘科学之美而为人知晓。如果你在波士顿剑桥地区与这家研究所擦肩而过，一定会被它放置在一楼长廊中的生物医学美图所吸引。这些图片均来自于科赫研究所每年评选的“最佳生物医学图片奖”（Koch Institute Image Awards），它们是科学与艺术的完美交织。

图片来源：Photo courtesy of Ellenzweig, Architect

科赫研究所相信，在诸多类型的科学数据中，科学图片有其独特的地位。无论是显微照片、核磁共振扫描图片、或是其他生物医学相关的图片，都是通往科学真知的窗口。无论是奋战在未知最前沿的科学家，还是普通百姓，都能从这些图片里窥见自然的美妙与神奇。

最近，2018年度科赫研究所的“最佳科学图片奖”正式揭晓。从165张投稿科学美图中，评选委员会们选出了10张兼具科学性与美感的图片。它们也将在科赫研究所的长廊中进行展出。在科赫研究所的特别授权之下，学术经纬团队将在今日为各位读者朋友们介绍这些科学美图背后的故事。

 被光照亮的神经发育过程

图片来源：Matheus Victor，蔡立慧（Picower Institute for Learning and Memory）

大脑正常功能的行使离不开“兴奋性神经元”和“抑制性神经元”两者之间的平衡。在这张图片里，经过基因编辑，可被光激活的神经元（蓝色和白色）在模拟大脑发育的信号作用下，能够被激活。图片前景中的电极能够记录细胞之间的信号传导，揭示了神经网络发育过程的重要信息。利用这一工具，蔡立慧教授团队正在探索阿兹海默病的病发过程中，神经元兴奋与抑制之间的同步节律会怎样受到影响。

用机器学习改良癌症疗法

图片来源：Daniel Reker，Jee Won Yang，Natsuda Navamajiti，Ruonan Cao，Dong Soo Yun，Giovanni Traverso，Robert Langer（Koch Institute at MIT） 

这张科学图片将分子动态模拟与电子显微镜成像完美结合到了一起，展现的是一款叫做索拉非尼（sorafenib）的抗癌药物。与许多其他抗癌疗法一样，索拉非尼会自发形成错综复杂的纳米结构，改变药物的作用方式。MIT的知名学者罗伯特·兰格（Robert Langer）教授与其团队利用机器学习算法，将模拟结果与现实进行比对，从而分析或预测这些纳米结构在不同环境下会有怎样的表现。这些新发现将让我们得以设计更好的药物，改善患者的治疗。

治疗性蛋白质的奇妙之旅

图片来源：Suman Bose，Amanda Facklam，Amanda Whipple，Robert Langer，Daniel Anderson（Koch Institute at MIT）

这是一款发生在人体内的细胞疗法。研究人员们改造了一种“智能细胞”（蓝色），并将它们装载进了可以植入人体的芯片（黑色）上。当细胞逐渐成熟时（绿色），就会在组织环境的作用下，向体内分泌治疗性的蛋白质（红色）。这款具有生物可兼容性的设备不仅能让细胞在自然环境下生长，还能向环境释放正确剂量的药物。此外，这款设备也能保护其中的细胞不受免疫细胞的攻击。

理清身体的“社交网络”

图片来源：Carly Ziegler，Shaina Carroll，Leslie Kean，Alex Shalek（Institute for Medical Engineering & Science and Koch Institute at MIT）

RNA是细胞内的重要分子。通过RNA，储存在我们基因里的密码才能被翻译成蛋白质，行使各种生物学功能。在一项研究中，科学家们从14种不同的器官内，对45782个单细胞的RNA表达进行了测序分析，构建了一张完整的健康细胞生理学图谱，能为将来的研究提供宝贵洞见。使用机器学习的方法，研究人员们将不同群体的细胞（点）之间的关系（线）进行了连接。图片中，每一种颜色表明来自不同组织的细胞。

组合生物学的故事

图片来源：Jared Kehe，Tony Kulesa，Paul Blainey（Broad Institute and Koch Institute at MIT）

生物学的本质在于“组合”。无论是抗癌疗法，抑或是农业所面临的生态学困境，其解决方案都会涉及多种要素。在一项研究中，科学家们用柔性塑料制造了一系列芯片，快速筛选出能够促进健康或抗击疾病的微生物组合或化合物组合。具体来说，研究人员们把7滴各内含一种成分的液滴混在一个六边形的小孔里，然而通过图像分析，找出那些具有合适特性的组合。在图中，“绿色”的液滴预示着这种组合有着合适的特性，有潜力用于进一步的研究探索。

天生杀手：激活免疫系统

图片来源：Allison Demas，David Mankus，Margaret Bisher，Abigail Lytton-Jean，Galit Alter，Sangeeta Bhatia（Koch Institute at MIT and Ragon Institute of MGH, MIT, and Harvard）

天然杀伤（NK）细胞就好像是免疫系统里的忍者，他们会在对抗感染和疾病的最前线执行多种特别任务，而在这张图片中，研究人员们想要观察这些杀手激活和发起攻击的过程。为此，研究人员们将NK细胞放置在玻璃载玻片上，旁边放有寄生虫和治疗用的抗体。在准备战斗时，NK细胞的表面会逐渐从光滑变得不平整，并出现各种突起。在这项研究中，NK细胞攻击的对象是疟原虫。但这一现象在对抗癌症时也同样存在。

实时追踪DNA甲基化

图片来源：Yuelin Song，Rudolf Jaenisch（Whitehead Institute and Koch Institute at MIT）

遗传上看近乎相同的细胞，如何分化出不同的组织类型？这是表观遗传学的作用。它能决定哪些基因会在细胞中表达，也会决定这些基因何时表达，这导致了基因活性的不同。在这幅细胞的3D图像中，不同颜色代表着DNA的不同甲基化状态。通过在复杂的组织和多样的细胞类型中以极高的清晰度实时分析甲基化的变化，研究人员们能更好地理解细胞如何发育，并发现癌症和其他疾病中出现的错误。

从呼吸疾病中获取灵感

图片来源：Raghu Chivukula，David Mankus，Margaret Bisher，Abigail Lytton-Jean，David Sabatini（Massachusetts General Hospital, Whitehead Institute, and Koch Institute at MIT）

从一名患者的神秘呼吸疾病中，来自麻省总医院和MIT的研究人员们对培养皿中的人类气道细胞进行了研究。从成体干细胞分化成的组织（详见图片）让我们能够清晰地看见完全分化的气道表皮细胞上的纤毛，而这正是呼吸道防御阵线的最前沿。通过操纵这一模型里的基因，医生和科学家们找到了这名患者体内携带的一个罕见基因变异，它导致了纤毛功能的失调。

用海胆研究细胞迁移

图片来源：Genevieve Abbruzzese, Richard Hynes（Koch Institute at MIT）

癌细胞和胚胎细胞有许多相似之处，它们都能进行长距离的精准移动。在细胞移动时，他们需要依赖一些纤维状的蛋白质来促进迁移。在这张图片里，研究人员们利用海胆来研究这一过程。在海胆透明的胚胎里，研究人员们能够看到围绕深色的骨架，新形成的蛋白纤维框架。理解细胞如何利用这一框架，有助于提供关于细胞迁移的宝贵洞见，让我们更好地了解发育进程，同时理解癌症转移。

探寻发育生物学的根源

图片来源：Nicki Watson, Mary Gehring（Whitehead Institute）

现代生物学的核心是多种模式生物。这些生物能快速获取，并在实验室里方便地进行操作。他们为生物学进程的研究带来了光明。在这张美图里，研究人员们展示的是一种拟南芥（Arabidopsis lyrata）的电子显微镜照片。照片里，拟南芥的雄蕊（黄色）和雌蕊（绿色）清晰可见。这些图片为研究者们带来了进一步观察的平台，也展现了生物学的美丽。

参考资料：

[1] Koch Institute Image Awards, Retrieved April 3, 2019, from https://ki-galleries.mit.edu/