admin
作者热门文章
NBT | 实现活细胞内无标记代谢物时空监测的可视化
2019-12-24
撰文 | 咸姐
责编 | 兮
 
自20世纪20年代以来,人们发现肿瘤中存在着代谢重编程开始,对于代谢在疾病中的重要作用就逐渐被人们所揭示。随着体内微环境多样性的重要性的发现,人们对从时空上研究新陈代谢的过程提出了更高的需求。
 
以葡萄糖代谢为例,一开始,研究人员采用同位素标记的葡萄糖类似物来实时监测肿瘤内的葡萄糖代谢,但是这些类似物在体内是不可代谢的,并且只能局限于对葡萄糖摄取的研究。之后,研究者们又开始采用质谱联用同位素标记技术,对代谢的动态过程进行研究,虽然质谱法具有较高的物种分辨率,但它不能在时空分辨率上提供单个活细胞内葡萄糖代谢的信息【1】
 
似乎,用同位素标记的方法对细胞内代谢物进行实时检测存在着巨大的局限性,但是用光学显微镜对活细胞中的无标记生物分子进行动态成像也仍然存在巨大困难,首要困难就是在700nm波长以下缺失化学特异性且存在细胞光毒性。当然,随着技术的发展,近年来,化学特异性振动成像模式(如自发或相干拉曼散射及中红外显微镜)的开发极大地扩展了内源性生物分子成像的可能性。例如,受激拉曼散射显微成像,基于单一化学键标记,可以在高空间分辨率下实现快速组织成像,但是拉曼成像会对细胞进行光损伤,并且其灵敏度在1毫米以上,这往往会忽略生理相关的微摩尔或纳摩尔范围内的生物分子【2】。而通过中红外(mid-IR)吸收直接激发振动是对拉曼成像的补充【3】,在光子吸收的基础上,mid-IR光谱成像为某些分子提供了比拉曼成像大8个数量级的横截面,能够灵敏地检测出C-H键和指纹光谱区域。然而,这种方法并不适用于活细胞中的代谢研究,因为活细胞中的水会强烈削弱中红外光子,还因为它应用了负对比度检测(即衰减越强,检测到的信号越弱)。此外,通常情况下是将样品放置在薄反应杯内(约10~25μm厚)用高功率中红外源照射的,而这也会破坏正常的细胞行为和增殖。
 
基于以上各种方法的优缺点,2019年12月23日,来自德国亥姆霍兹慕尼黑中心的Vasilis Ntziachristos教授研究团队在Nature Biotechnology上发表题为 Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in living cells 的文章,开发了一种基于生物分子特异性振动跃迁和无辐射去激发的成像模式——中红外光声显微镜技术(mid-infrared optoacoustic microscopy,MiROM,可以利用键选择进行活细胞无标记代谢物成像,实现了对活细胞和组织中的代谢物的高效时空监测的可视化。
MiROM是在透照法的基础上实施的,它结合了衍射限制的光激发和共聚焦超声检测(图1),通过对焦平面内的样品进行光栅扫描,同时从特定的生物分子振动中获取光声信号,以此获得中红外吸收对比显微图像。与mid-IR光谱成像不同的是,MiROM依赖于超声波进行检测,超声波的衰减远远小于中红外光子,此外MiROM也是一种正反差方法,即衰减越强,检测到的信号越强。这种正反差传感和低衰减检测路径的独特组合平衡了信号损失,使得其比标准的中红外显微镜有更深的成像能力,同时其在指纹光谱区域具有更高的灵敏度,实验证实,在数百微瓦的激光功率下,MiROM对于DMSO的检测限为2.5mM,对于白蛋白的检测限为1.5μM。
 

图1 MiROM的激发样本传感器配置

进一步的利用MiROM对活细胞中的代谢进行观察,本文的研究人员第一次“亲眼看到”碳水化合物在最初通过未成熟的脂肪细胞传播的方式,以及其在脂肪细胞成熟时与脂滴的共定位(图2)。同时,他们还成功利用MiROM监测脂肪分解过程中小于1%的内源性脂质和蛋白质的动态变化。此外,研究人员将MiROM应用于检测4mm厚的新鲜制备的小鼠胰腺组织,也证明了其在较厚的样品中成像的潜力比标准的中红外成像更深。当然,除了碳水化合物、脂质和蛋白质,MiROM也可以用于分析任何其他培养细胞或组织中的核酸和水。

图2 MiROM实时监测脂肪形成过程中的内源性分子的动态
 
综上所述,MiROM提供了前所未有的高对比度、图像质量、敏感性和特异性,可用于活细胞和未经处理的厚组织的内源性生物分子的显微检测,而其对样本造成的光损伤可忽略不计。MiROM的开发支持了活细胞代谢研究和组织分析学,同时填补了无标记生物分子成像的一个重要空白,大大扩展了光声显微镜的应用范围。
 
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41587-019-0359-9
制版人:Yinong
参考文献

1. Li, J. & Cheng, J.-X. Direct visualization of de novo lipogenesis in single living cells. Sci. Rep. 4, 6807 (2014).

2. Cheng, J.-X. & Xie, X. S. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: an emerging platform for biology and medicine. Science 350, aaa8870 (2015).

3. Diem, M. et al. Molecular pathology via IR and raman spectral imaging. J. Biophotonics 6, 855–886 (2013).

 

参与评论0条
友情链接: 国家药品监督管理局
@2019 BIOART.COM ALL RIGHTS RESERVED.沪ICP备18041007号
评论
169