又发Nature 子刊！O-PTIR光热红外显微成像技术绘制单细胞脂代谢图谱

发布日期：2024-03-15

导读：

脂代谢的异质性在生物系统中普遍存在，与糖尿病，癌症和神经退行性疾病密切相关，深度影响着人类的健康。想要开展精准的人类代谢研究和相关疗法开发，不仅需要建造合适的模型，也需要足够精确的成像方法以获得准确的结果。然而正电子发射断层扫描（PET）和核磁共振成像（MRI）的空间分辨率较低，无法达到细胞水平；荧光成像分辨率虽然可达亚微米级，但由于荧光染料的引入又会影响到细胞的生理活动，导致分子通路的变化。振动光谱成像方法使用的探针，相对于荧光分子具有更小的尺寸和更好的生物兼容性，不会影响细胞的正常生理活动。常用的方法有红外吸收和拉曼散射，其中红外吸收具有更高的灵敏度和成像速度，但传统的方法如傅里叶红外（FTIR）的分辨率无法达到单细胞或亚细胞级；拉曼散射容易受到背景荧光影响，导致谱线分析结果失准。

O-PTIR技术

美国PSC公司研发的全新非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage的出现为上述问题提供了新的解决方案。mIRage采用新型光学光热红外（O-PTIR）技术，不仅具备传统FTIR的特性，可以对物质的分子结构进行解析，还克服了传统红外空间分辨率不足，无法精细表征细胞内部结构的问题，其分辨高达500 nm，可在亚微米尺度上实现细胞结构以及细胞内生物分子分布的观测，与光学显微镜基本相同，有助于研究亚细胞器结构和细胞内信号通路。设备光热膨胀技术能够在不接触样品的情况下进行检测，大幅度简化了样品制备过程，全程对样品无污染，并且没有米氏散射问题，可在不平整的表面上取得良好的谱线。而其特有的检测机制使得mIRage能够很大限度上避免水的干扰，真正实现对单细胞的检测。

非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage

近期，加州大学圣巴巴拉分校的Kenneth S. Kosik研究组以棕榈酸叠氮化物（azide-PA）作为探针，使用mIRage检测体外细胞模型中新合成的脂质以研究细胞脂代谢。相关文章发表在Nature communication上。这也是继耶鲁大学研究团队在2023年观测DNL在活细胞和固定脂肪细胞中的分布^[1]后，mIRage在脂类代谢研究领域的又一突破！

研究成果概述

棕榈酸叠氮化物（azide-PA）是一种合成脂肪酸，可用作核苷酸的修饰标记，脂肪酸代谢的分子探针。azide-PA加入培养基后，可被细胞利用合成甘油三酯，磷脂和固醇类。mIRage检测azide-PA的光谱结果显示和PA相比，其在2100cm_-1具有叠氮基团的吸收峰，且在此区域没有细胞内源性的信号，因此azide-PA非常适合用于检测细胞内的脂质分布。

图1. azide-PA可被细胞利用合成脂质（左）； azide-PA/PA/细胞的IR谱（右）。

神经胶质瘤细胞在含有azide-PA的培养基中培养6.5h后，使用mIRage分别在2096 cm^-1和1744 cm^-1进行成像，可以得到azide-PA和细胞脂质总体的分布（图2D）。和BODIPY染色结果对比可确定O-PTIR对脂质成像的准确性，且拟合得到O-PTIR的空间分辨率在500 nm左右（图2E）。接下来将神经胶质瘤细胞分别在含azide-PA和仅含未修饰的PA的培养基中培养，含azide-PA的培养基中的细胞可在2096 cm^-1成像观察到（图2F&图2G）。计算细胞的总脂质/蛋白比（1740/1650）与新合成脂质/总脂质比（2096/1740），可以发现两种细胞的总脂质/蛋白比没有显著差异，表示azide-PA具有良好的生理相容性（图2H）；新合成脂质/总脂质比与预期一致（图2I）。

图2D：细胞总脂质(1744   cm^-1)/新合成脂质(2096 cm^-1)/BODIPY染色的图像；E：O-PTIR的空间分辨率；

F：人神经胶质瘤细胞经azide-PA/PA培养基培养后的细胞总脂质(1744 cm^-1)/新合成脂质(2096 cm^-1)/明场的图像；

G：azide-PA/PA培养基培养后的细胞的O-PTIR谱线；H、I：细胞总脂质和新合成脂质的统计分析。

此外，mIRage还可以长时间动态的对活细胞内的脂质进行成像，从而实现单细胞水平的动态脂质代谢：

图3. 活细胞不同时间点脂质代谢变化

经过细胞系的检测后，研究组接下来使用mIRage研究了hiPSC与hiPSC分化的神经胶质细胞的脂代谢。将hiPSC与神经胶质细胞在含有azide-PA的培养基中培养24h后，使用mIRage进行成像发现，神经胶质细胞在2096 cm^-1和1744 cm^-1的信号强度（图4A&图4B），及总脂质/蛋白比（1740/1650）与新合成脂质/总脂质比（2096/1740）均高于hiPSC（图4C&图4D），表示在hiPSC分化过程中脂质的合成更加活跃，脂质的合成可能与早期脑发育有关。

图4. A：hiPSC分化的神经胶质细胞与hiPSC的总脂质/新合成脂质/明场的图像；B：两种细胞的O-PTIR谱线；C、D：两种细胞的总脂质和新合成脂质的统计分析。

根据以上研究结果，非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage可以进行高分辨率、高特异性的单细胞成像，以研究人细胞中脂代谢的研究，且可以扩展到其他生物分子的代谢，以研究更广泛的代谢通路和过程。O-PTIR技术与红外探针结合的单细胞代谢成像，将带来更多生物领域的新发现，助力开发更有效的疾病疗法。

作为美国PSC公司在中国的独家代理，Quantum Design中国于2020年将非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage系统引入国内，助力中国科研工作者取得一个又一个重大突破：

mIRage国内部分发表文章一览

☛ 南京大学借助mIRage建立了一种新型的塑料表面亚微米尺度化学变化表征方法。该工作发表在知名期刊Nature   Nanotechnology上。

中国医学科学院医药生物技术研究所借助mIRage成功实现对 药物载体的原位成分分析。相关工作发表在Small Structures 上。

中国农业大学借助mIRage成功实现对玉米粉中痕量微塑料的原位可视化表征。该工作发表在Science of the Total Environment上。

中国科学技术大学借助mIRage研究微塑料。该工作发表在Environmental Science & Technology上。

样机体验

为了更好地服务中国客户，Quantum   Design 中国子公司在北京建立了专业的客户服务中心，引入了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统！

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参考文献：

1. Spatiotemporal Heterogeneity of De Novo Lipogenesis in Fixed and Living Single Cells. J. Phys. Chem. B 2023, 127, 2918−2926

2. Single-cell mapping of lipid metabolites using an infrared probe in human-derived model systems. Nature Communications, 15(1), 350.