葡萄糖双色振动成像揭示细胞代谢活性

对于绝大多数生物而言，葡萄糖不仅是一种至关重要的能量来源，也是生物物质合成中重要的碳源前体。葡萄糖的摄入、代谢，尤其是在各个代谢通道中的比例变化与各种生理、病理情况下的代谢调节都密切相关。例如，大多数正常哺乳动物细胞在常氧环境下经历氧化磷酸化过程产生能量，而在癌细胞或其他高度增殖的细胞中，摄入的葡萄糖倾向于不经氧化磷酸化反应而是经酵解形成乳酸。近年来，已经有多种用于监测葡萄糖摄入及代谢的成像方法，如正电子发射断层成像（PET）、核磁共振成像（MRI）、荧光显微成像技术等。但其各自具有一定的局限，如PET和MRI的空间分辨率不足以进行细胞水平的研究，荧光显微成像技术受到荧光现象自身的约束，需要利用含有较大共轭体系荧光基团的葡萄糖类似物，而这些类似物并不能模拟葡萄糖的代谢。此外，这些方法都依靠单一的探针分子研究葡萄糖的摄入（glucose uptake）或代谢（glucose incorporation）活性，仅能提供细胞内葡萄糖利用的部分信息。

近日，美国哥伦比亚大学化学系的闵玮教授（点击查看介绍）研究团队报道了葡萄糖摄入与代谢的双色成像技术。作者利用氘代葡萄糖（D7-glucose）的C-D键研究葡萄糖形成生物大分子的活性，并巧妙地设计合成了含有¹³C≡¹³C炔基的葡萄糖类似物3-OPG-¹³C₃用于研究葡萄糖的摄入活性。通过¹³C同位素修饰，他们可以实现炔基三键振动频率的红移，从而在振动光谱的细胞静默区（1800-2600 cm^-1）产生与D7-glucose的C-D键伸缩振动可区分的¹³C≡¹³C键振动模式。受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）技术具有检出峰宽窄、灵敏度高的特点，能够很好地分辨D7-glucose的C-D键振动和3-OPG-¹³C的¹³C≡¹³C键振动。是其他已有技术不具备的。他们利用SRS显微镜平台，并结合这两种探针分子，就可以实现单细胞内葡萄糖摄入及代谢的同时观测。所得到的双色比率成像（C-D/¹³C≡¹³C）为葡萄糖合成生物大分子的效率提供了直接的测量方式（图1）。

图1. 葡萄糖摄入和代谢的双色受激拉曼散射显微成像示意图

作者利用这种双色成像技术研究了不同细胞系的葡萄糖摄入与利用效率，如人脑胶质母细胞瘤细胞系U-87 MG和人前列腺癌细胞PC-3，猴子的正常肾脏细胞系COS-7和人类正常前列腺细胞RWPE-1，并将同一前列腺组织来源的正常细胞和癌细胞共同培养。作者发现葡萄糖在癌细胞中合成生物大分子的效率相比正常细胞大幅度降低，并在双色比率成像中发现共培养组织中正常细胞群和癌细胞群之间清晰的边界（图2）。该研究揭示了细胞癌变过程中葡萄糖合成生物大分子代谢途径的改变和利用率大幅度降低，并推断可能是由于Warburg效应（癌细胞将葡萄糖大量代谢成乳酸）引起的。

图2. 共培养系统中葡萄糖摄入和代谢的双色成像

作者还将此技术用于研究上皮细胞间质转型（epithelial-to-mesenchymal transition，EMT）前后葡萄糖利用的变化，研究证实这一过程和癌症转移（cancer metastasis）密切相关。SRS双色成像结果显示，上皮细胞间质转型后对葡萄糖摄入活性没有影响，而对葡萄糖合成生物物质的利用率大幅度降低。作者表示，以上结果很有可能是因为转型后的细胞需要大量的葡萄糖参与分解代谢以提供能量支持癌细胞的迁移活动。这一研究表明，SRS双色成像可以为癌细胞的迁移和代谢提供单个细胞水平的监测。

作者在文章的最后研究了体外培养的小鼠脑组织切片不同区域对葡萄糖摄入和利用的异质性（图3）。脑脊液（cerebrospinal fluids, CSF）由脉络丛（choroid plexus, CP）分泌产生，对中枢神经系统的发育和维护起到了至关重要的作用。文章首次报道了对于小鼠脑组织CP区域葡萄糖代谢的直接监测，CP的葡萄糖摄入和利用率都高于周边其他脑组织。另外，CP表皮细胞（图3中箭头）表现出对葡萄糖代谢的各向异性。这一不对称性可能与脑脊液的分选和运输过程密切相关。

图3. 小鼠脑组织切片中葡萄糖摄入和代谢的双色成像

作者表示，SRS双色比率成像的先导性研究成果证实了这一技术作为葡萄糖转化定量可视化的呈现方式，具有亚细胞水平分辨率、良好的特异性和生物相容性等特点。基于以上独特的优势，该技术有望应用于癌症诊断和诊疗方面，有助于研究复杂生命体系。相关结果发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者为龙榕博士。

闵玮教授现任哥伦比亚大学化学系终身教授，2003年于北京大学获得学士学位，2008年于哈佛大学获得博士学位，师从美国科学院院士、中国科学院外籍院士谢晓亮教授，2010年起执教哥伦比亚大学化学系，2017年起任职正教授。闵玮教授课题组的研究方向是基于分子光谱学开发新型光学显微镜，结合化学探针和生物技术，推动神经科学、癌症检测和疾病诊断等前沿生命科学和医学研究的发展。

该论文作者为：Rong Long, Luyuan Zhang, Lingyan Shi, Yihui Shen, Fanghao Hu, Chen Zenga and Wei Min

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Two-color vibrational imaging of glucose metabolism using stimulated Raman scattering

Chem. Commun., 2018, 54, 152, DOI: 10.1039/C7CC08217G

导师介绍

闵玮

http://www.x-mol.com/university/faculty/1407