——MMI CellCut 单细胞激光显微切割系统在光遗传学研究中的应用

全文约 3400 字（不含参考文献；其中正文约 2800 字），阅读约 9 分钟。

导语：一束蓝光，拿下了今年的诺贝尔奖

2026年10月5日，瑞典卡罗林斯卡学院诺贝尔大会宣布，将2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）、彼得·赫格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），以表彰他们“在光门控离子通道与光遗传学方面的发现”。

故事起源于一种单细胞绿藻——莱茵衣藻。赫格曼好奇它为何会游向光源；21世纪初，他与纳格尔在衣藻中发现了通道视紫红质（channelrhodopsin）：这是一种位于细胞表面的蛋白，受蓝光照射时会打开一条离子通道，让带电离子流入细胞，产生电信号。2005年，戴瑟罗斯把它的基因导入大鼠神经元，用蓝光成功触发了神经信号；两年后，这一“光控开关”在活体小鼠脑内实现。诺贝尔委员会评价，光遗传学让研究者得以揭示调控特定记忆、情绪和行为的神经环路。

图1 通道视紫红质工作原理：无光时通道关闭；蓝光照射时通道打开、阳离子流入使膜去极化；每个光脉冲可触发一次动作电位（原创示意图）

（同周揭晓的物理学奖、化学奖与本文主题无直接关联，不再展开。）

光遗传学回答的是“这群细胞被激活后会发生什么”。但每一项光遗传学实验结束后，研究者都会面对下一个问题：被光操控、对行为起关键作用的那群细胞，到底是谁？它们表达哪些基因？ 这正是激光显微切割技术可以参与的环节。

一、光遗传学是什么？为什么还要“读出”被操控的细胞

光遗传学（optogenetics），简单说，就是用基因工程手段让特定类型的神经元带上“光控开关”（如通道视紫红质-2，简称 ChR2），再通过植入脑内的光纤给光，以毫秒级精度打开或关闭这些细胞。与电刺激或药物不同，它可以只作用于某一类细胞，从而检验“这类细胞的活动是否足以引起某种行为”。

不过，光遗传学本身是一种“写入”工具，而非“读出”工具。实验中常用的细胞标记方式（例如借助 Cre 重组酶在某一标记基因阳性的细胞中表达 ChR2）只是按一两个基因来圈定细胞。而同一脑区里看似同类的神经元，在分子特征、投射去向和功能上可能差别很大。要理解“为什么激活这群细胞会让小鼠趋近或回避”，就需要把行为层面的发现与分子层面的信息对应起来。

常用的组织解离式单细胞测序会把组织打散成细胞悬液，细胞原本在脑中的位置信息随之丢失。而对神经科学来说，位置往往就是功能的一部分：同一核团的内侧与外侧亚区，可能承担截然相反的功能。因此，研究者需要一种能在组织切片上“看准再取”的工具。

二、CellCut 的原理与特点

激光显微切割（laser microdissection，也称激光捕获显微切割，LCM），是在显微镜下用激光把切片上的目标细胞或区域“剪”下来、与周围组织分离，再用于下游分子分析的技术。

根据 MMI（Molecular Machines & Industries）官方资料，CellCut 系统的工作流程与主要技术特点包括：

• 紫外激光切割：采用 355 nm 紫外脉冲激光，脉冲宽度在亚纳秒级，官方标称切割线宽可达约 0.3 µm。低脉冲能量、高重复频率的设计，目的是减少对切割边缘周围组织及 RNA、DNA、蛋白质的损伤。

• “动台不动光”：切割时激光固定、载物台移动，使激光始终处于聚焦状态，也便于切取超出单个视野的大面积区域。

• 非接触、可目检的收集方式：组织切片贴在专用膜载片上，切下的部分由带黏性表面的隔离管盖（Isolation Cap）粘取，不依赖重力掉落或激光弹射。收集后可以在盖上直接观察样本是否到位，这对单个细胞、稀有细胞尤其重要。

• 荧光引导选择：系统搭载在倒置荧光显微镜上，可在荧光下圈选目标；配套低自发荧光的膜载片和用于荧光样本的透明管盖。这意味着带有 eYFP、EGFP、mCherry 等荧光标记的细胞，可在同一平台上“看见即切取”。

• 样本类型多样：适用于冰冻、石蜡包埋组织及涂片等；激光从下方入射，可在不移除培养液的情况下切割活细胞。

• 扩展与自动化：可与全片扫描（CellScan）、毛细管单细胞挑取（CellEctor）等模块组合，或搭配 CellRobot 自动分配到 96 孔板。

图2 CellCut 激光显微切割原理：荧光下识别目标细胞 → 紫外激光沿细胞轮廓切割 → 黏性隔离管盖非接触粘取并可目检（原创示意图，依据 MMI 官方资料绘制）

三、应用案例：从光遗传学行为到空间转录组

图3 光遗传学操控—行为/活动读出—CellCut 精准切取—单细胞/空间测序 工作流程示意（原创示意图，非实验数据）

案例1：伏隔核两个亚区，奖赏反应“方向相反”

伏隔核（NAc）是大脑奖赏与动机的关键脑区。中国科学院深圳先进技术研究院朱英杰等研究者联合多家单位于2023年在 Cell Reports 发表研究，比较了伏隔核壳部外侧亚区（NAcLat）与内侧亚区（NAcMed）的功能差异。

研究发现：

1. 光遗传学：在 NAcLat 表达 ChR2 后，小鼠在单次训练中鼻触超过一百次以换取光刺激，并偏好与光刺激配对的区域；而激活 NAcMed 则使小鼠回避光刺激配对区域。

2. 活体钙成像：奖赏消耗时，NAcLat 活动增强、NAcMed 活动减弱，但单个神经元间差异很大。

3. Geo-seq 空间转录组：研究者将小鼠脑冰冻切片（20 µm）贴于膜载片，经甲酚紫染色定位后，用 MMI CellCut 系统分别切取 NAcLat 与 NAcMed 组织（方法部分原文为“LCM; CellCut System, MMI”），再进行低起始量 RNA 测序。两亚区（每组5只小鼠）在主成分分析中可分开，鉴定出400余个差异表达基因，其中神经降压素基因 Nts 在 NAcLat 富集、Cartpt 在 NAcMed 富集，并经 RNAscope 原位杂交验证。

4. 回到光遗传学验证：在 Nts-Cre 与 Cartpt-Cre 小鼠中分别表达 ChR2，激活 Nts 阳性神经元可支持自我刺激并引起位置偏好，激活 Cartpt 阳性神经元则引起回避。

这项研究体现了一个完整的闭环：光遗传学发现亚区功能差异 → 激光显微切割与空间转录组找到分子标记 → 用分子标记构建工具，再以光遗传学验证。 需要说明的是，本研究中 CellCut 切取的是亚区组织，而非逐个切取表达 ChR2 的细胞；所得转录组反映的是亚区整体特征，基因差异与功能差异之间的对应关系仍属关联性证据。

图4 案例1示意：光遗传学揭示伏隔核外侧（NAcLat）与内侧（NAcMed）亚区作用相反，CellCut 切取亚区结合 Geo-seq 找到 Nts、Cartpt 等分子标记，再以光遗传学验证（原创示意图，依据 Chen et al., Cell Reports 2023 文字描述绘制，不含原始数据）

案例2：切取“特定投射”的荧光标记神经元，读出被操控通路的转录组

苏黎世大学 Pryce 团队2023年在 Communications Biology 发表的研究，关注慢性社会应激如何通过基底杏仁核—伏隔核（BA-NAc）通路影响奖赏行为。研究者向伏隔核注射荧光逆行示踪剂，使投射到伏隔核的杏仁核神经元带上荧光；随后在 10 µm 冰冻切片上，用 MMI CellCut 在荧光下切取胞体大小的荧光阳性区域，每只小鼠收集500个样本合并测序，每只小鼠中位检出超过13,000个基因。与对照组相比，应激组有64个基因上调、2个下调（|log2FC|>0.5，名义 p<0.001）。在另一组实验中，研究者同样用 CellCut 切取了被病毒工具操控（以 EGFP 标记）的通路神经元，以读出操控本身的分子效应。

需要指出，该研究的神经元操控采用的是化学遗传学（DREADDs）和破伤风毒素轻链，而非光遗传学；但“用基因编码工具操控特定通路，再按荧光标签切取同一批细胞读出分子变化”的思路，与光遗传学实验完全相通。差异基因的筛选阈值为名义 p 值，结论宜视为提示性的。

图5 案例2示意：逆行示踪标记投射到伏隔核的杏仁核神经元，CellCut 在荧光下切取胞体大小区域，合并后做低起始量 RNA 测序（原创示意图，依据 Madur et al., Communications Biology 2023 方法描述绘制）

方法学佐证：表达光敏蛋白的神经元能被切取吗？

光遗传学蛋白多与 eYFP 等荧光蛋白融合，而组织脱水等处理常导致荧光减弱。新加坡南洋理工大学团队2021年在 eNeuro 报道：由于这类光敏蛋白-荧光蛋白融合体位于细胞膜上，经适当处理后荧光可勾勒出神经元轮廓，研究者据此切取了 ChR2-YFP 等标记的单个神经元，约100个细胞即可满足定量 PCR 需求，目标细胞中荧光蛋白 mRNA 约为邻近未标记细胞的10倍。需要说明的是，该研究使用的是另一品牌的激光显微切割平台；它证明的是“切取光遗传学标记神经元”这一路线的可行性，并非 CellCut 的专属数据。

四、局限与展望

局限：

• 时间是“快照”：激光显微切割针对的是固定或冰冻切片，无法在同一细胞上同时记录实时活动与取样；行为与分子数据之间往往需要跨动物或跨时间点关联。

• 单细胞纯度需验证：10–20 µm 的切片只截取到细胞的一部分，切取区域可能混入相邻细胞的突起，应通过细胞类型标记基因等方式评估纯度。

• RNA 质量与流程密切相关：脱水时间、切割时长和提取试剂都会影响 RNA 完整性；已有比较研究报告，不同切割平台与提取方案下所得 RNA 完整性存在差异，需在各自实验室中优化。

• 通量与覆盖度：与液滴式单细胞测序相比，逐个切取的通量较低；其优势在于保留位置与形态信息，两类方法更宜互补。

• 光遗传学本身的限制：人工光刺激引起高度同步的激活，未必等同于生理活动模式。

展望（以下为推测性方向）：将基于即刻早期基因的“活动标记”与光遗传学结合，再用激光显微切割取出被标记的细胞，有望更直接地把“行为中被激活的细胞”与其分子特征对应起来；自动化切割与空间蛋白质组学的结合也可能提高通量与维度。其实际效果仍有待检验。

五、小结：CellCut 在这一应用中的关键作用

光遗传学负责“写入”，测序负责“读出”，而 CellCut 处在两者之间，承担“在正确的位置取出正确的细胞”这一环节：

1. 看得准：荧光引导下圈选表达 ChR2-eYFP 等标签的细胞或特定亚区，保留空间位置信息；

2. 取得净：窄切割线与黏性管盖非接触收集，可目检确认，减少样本丢失与交叉污染；

3. 接得上：与 Geo-seq、低起始量 RNA-seq 等下游流程衔接，已在上述 Cell Reports 与 Communications Biology 研究中得到应用。

从诺贝尔奖表彰的“光控开关”，到“被开关的细胞究竟是谁”，激光显微切割为两者搭起了一座桥。

（本文仅作科普与技术交流，产品参数以 MMI 官方资料为准。）

参考文献

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9. Molecular Machines & Industries. Laser Microdissection（MMI CellCut 产品页）. https://www.molecular-machines.com/products/laser-microdissection

10. Molecular Machines & Industries. MMI CellCut 产品规格书（PDF）. https://www.molecular-machines.com/wp-content/uploads/CellCut_PFS_EN_C.pdf