X 射线和 MRI 等成像工具通过让医生近距离观察活体、呼吸着的人的大脑和其他重要器官，彻底改变了医学。现在，哥伦比亚大学的研究人员报告了一种新方法，可以放大最小尺度以跟踪单个细胞内的变化。

在最新一期的《自然通讯》中有所描述，该工具将广泛使用的化学示踪剂 D2O 或重水与一种称为受激拉曼散射 (SRS) 的相对较新的激光成像方法相结合。该技术的潜在应用包括帮助外科医生快速准确地切除肿瘤，帮助检测头部损伤以及发育和代谢紊乱。  

“我们可以使用这项技术来可视化各种动物的代谢活动，”该研究的资深作者、哥伦比亚大学化学教授魏敏说。“通过追踪新蛋白质、脂质和 DNA 分子的制造地点和时间，我们可以更多地了解动物如何发育和衰老，以及在受伤和疾病的情况下出了什么问题。”

这一突破涉及使用重水作为化学示踪剂。通过将水的氢原子与其较重的相对物质氘交换制成，重水的外观和味道与普通水一样，并且小剂量（人类不超过五汤匙）可以安全饮用。一旦被体内的细胞代谢，重水就会被结合到新制造的蛋白质、脂质和 DNA 中，其中氘与碳形成化学键。

研究人员发现，当这些碳-氘键受到光照射时，它们会以不同的频率振动，从而可以将每个大分子识别为蛋白质、脂质或 DNA。根据这些频率特征，他们可以跟踪动物大脑、皮肤、肠道和其他器官中新蛋白质、脂质和 DNA 的生长。

尽管重水已被用于标记蛋白质和脂质以跟踪代谢变化，但目前在质谱仪上对从体内提取的细胞进行分析。这种方法现在可以实时和空间地可视化亚细胞变化。“我们可以连续了解活体动物细胞内发生的情况。以前，我们只有一个快照，”该研究的共同主要作者、哥伦比亚大学博士后研究员 Lingyan Shi 说。

在这项研究中，研究人员用 D2O 稀释普通水，然后给蛔虫、老鼠和斑马鱼胚胎饮用。将 SRS 激光瞄准各种组织，他们在数小时和数天内观察了新的氘标记蛋白质、脂质和 DNA 的形成。

在一项实验中，他们观察到小鼠快速生长的脑部和结肠肿瘤周围出现了一条亮线。随着癌细胞的分裂，更多的氘被掺入到它们新制造的蛋白质和脂质中。“这种方法在健康组织和癌组织之间建立了一条清晰的界限，从而更容易去除肿瘤，”施说。

这些实验还为细胞发育和衰老提供了新的见解。

- 在蛔虫中，他们观察到随着年龄的增长，蠕虫生殖系统中的脂肪产量会上升和下降。他们发现，脂肪有助于蠕虫卵成熟，一旦添加的脂肪不再有用，脂肪形成就会减慢。他们还在较老的蠕虫体内看到了新的蛋白质团块，这表明氘标记的 SRS 成像可用于追踪蛋白质沉积，从而追踪与衰老相关的疾病。

- 在小老鼠发育中的大脑中，他们观察到在每个细胞周围形成了一层绝缘脂肪，称为髓鞘。实时观察这一过程向研究人员表明，氘标记的 SRS 成像可用于判断儿童的大脑是否正常发育，或者患有多发性硬化症（一种攻击大脑髓鞘并破坏信息流的疾病）的患者，可能正在恢复。  

- 在小鼠的汗腺细胞中，他们观察到新的脂质在汗腺外缘的细胞中形成，将旧细胞向内推。当这些老细胞最终到达腺体的中心时，它们就会死亡并被排出，这个过程被认为可以滋润上面的皮肤和头发。

“这种绘图方法的美妙之处在于它的简单性，”加州大学欧文分校的化学教授 Eric Potma 说，他没有参与这项研究。“它可以以最小的努力产生组织中代谢活动的生动图像。作为SRS 显微镜继续变得更小，氘标记的 SRS 成像可能有助于在更早的阶段发现肿瘤。”

1931 年，时任哥伦比亚大学化学教授的哈罗德·尤里（Harold Urey）基于氢元素以较重的形式出现的预感，成功地将氘从液态氢中分离出来。这一发现为他赢得了三年后的诺贝尔化学奖。除了用作质谱中的示踪剂外，今天的氘还用于跟踪海洋环流的变化、研究恒星的形成以及调节制造核能的化学反应。