一项发表在《分子细胞》（Molecular Cell）杂志上的开创性研究，成功开发出新型荧光探针，结合先进的超分辨显微技术，首次实现了在活细胞中以近乎分子级别的分辨率观察DNA的折叠状态。这一重大突破不仅为理解基因调控提供了前所未有的视角，更预示着在疾病诊断和治疗，特别是癌症领域，可能带来革命性的变革。

人类每个细胞中约有两米长的DNA，被精巧地折叠并包装在微小的细胞核内。DNA的折叠紧密程度直接决定了哪些基因被激活，哪些基因保持沉默，从而深刻影响细胞的功能和命运。然而，由于传统显微技术依赖于可能损伤活细胞的强化学试剂和高强度激光，此前对活细胞内DNA折叠状态的精细研究一直面临巨大挑战。

为了克服这一限制，巴塞罗那基因组调控中心（CRG）、香港城市大学和广东省人民医院（广东省医学科学院）南方医科大学的研究团队，共同设计出一种名为HoTs的新型荧光染料。这些染料能够自主进入活细胞并与DNA结合，其独特之处在于它们能间歇性地“闪烁”，而非持续发光。研究人员在活体人皮肤细胞和实验室培养的HeLa癌细胞中成功测试了这些探针。

这种“闪烁”行为对于生成更清晰的图像至关重要。如果所有染料同时发光，信号会相互模糊。通过在单个探针亮起时进行检测，先进的显微镜能够精确确定它们的位置。随后，计算机程序将数千张快照组合起来，生成比传统显微镜清晰约十倍的图像。

该研究的共同通讯作者、香港城市大学的孙红燕教授指出：“关键挑战在于设计出具有正确闪烁行为的荧光团，以实现超分辨成像。”

传统显微镜无法清晰分辨小于约200纳米的物体。而利用HoTs探针结合一种名为STORM的超分辨技术，研究人员在活细胞内将DNA可视化，分辨率达到了惊人的20纳米。在经过化学固定处理的实验室细胞中，细胞结构被固定，研究团队利用另一种名为MINFLUX的显微技术，将单个染料分子的定位精度提升至3纳米，即三亿分之一米。

该研究的第一作者王爱萍表示：“DNA双螺旋的直径约为2纳米，因此3纳米的定位精度使我们极其接近DNA分子本身的物理尺度。”

这项技术在癌症诊断方面展现出巨大潜力。当研究团队将探针应用于三名癌症患者的石蜡保存肠道组织时，他们发现了一个显著差异：肿瘤中的DNA明显比其旁边的健康组织更松散、更分散。其他研究也表明，随着癌症的发展，DNA会逐渐解旋，这提示DNA折叠的程度可能最终为肿瘤的进展或侵袭性提供关键信息。目前，医生仍主要依靠百年历史的染色技术通过肉眼评估活检样本。这项发表于《分子细胞》的新方法，有望为癌症诊断和治疗提供关于DNA三维空间排列的额外线索。

ICREA研究教授、该研究的资深作者Pia Cosma解释道：“利用同一种染料，我们可以做两件截然不同的事情。在活细胞中，我们可以观察DNA的运动，这告诉我们染色质（DNA在细胞中的自然状态）是如何行为的。在固定细胞中，我们可以放大到几乎达到DNA分子本身的尺度。结合这两种方法，使我们能够以前所未有的分辨率观察人类生物学中主要的控制层面之一。”

除了癌症研究，该探针还在人体细胞外发挥作用。研究人员将其应用于斑马鱼眼组织切片。斑马鱼能够再生受损视网膜，这一过程被认为涉及细胞放松其DNA，使其能够再次变得灵活。

研究团队还测试了人工智能（AI）是否能根据这些详细图像区分细胞。他们使用了AINU（“细胞核AI”的缩写），这是一个团队在2024年推出的程序，专门用于分析细胞核DNA的超分辨图像，以发现人眼难以察觉的模式。经过对活细胞新图像的训练，AINU能够以96%至98%的准确率区分皮肤细胞和干细胞。尽管这两种细胞类型含有相同的DNA，但它们的包装方式不同，AI能够检测到这些差异。

AINU最初只能处理已死亡和固定的细胞。现在，结合新型荧光探针，该程序能够分析活细胞。研究人员希望相同的原理最终能帮助区分癌组织和健康组织，或识别用于再生医学的有前景的干细胞。

尽管取得了显著进展，这项技术仍存在一些重要局限性。荧光分子广泛地覆盖DNA，而非识别特定基因，且最高分辨率的图像仍是从固定细胞而非活细胞中获得的。研究团队目前正在针对这些局限性开展后续工作，并探索MINFLUX技术在活细胞中成像探针的潜力。