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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

更新时间:2024-04-11点击次数:370

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。而其特殊的检测机制使得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。该工作发表在著名期刊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!欢迎各位老师垂询!


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.


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