通讯作者：张驰，普渡大学

作者：Gil A. Gonzalez，Ezinne U. Osuji，Natalie C. Fiur，Matthew G. Clark，Seohee Ma，Laura L. Lukov，Chi Zhang* （张驰）

在恶性肿瘤中，由于癌细胞的过度增殖，许多癌细胞面临氧气供应不足的缺氧微环境，导致代谢过程的改变。这种缺氧的微环境致使癌细胞更加具有转移和入侵性。虽然已有很多研究关注缺氧诱导因子（HIFs）调控的糖代谢变化，但对脂质代谢的研究近年来才受到关注。缺氧环境通过HIFs促进癌细胞的脂质摄取和合成，同时通过将脂肪酸转化为中性脂质并储存于脂滴（LDs）中，从而降低脂质的毒性。脂滴是储存和代谢中性脂质的细胞器，其积累与癌细胞的脂质代谢异常密切相关。HIFs通过调控相关酶和膜蛋白的表达，增强脂滴的形成与储存，并维持内质网稳态，减少脂质分解酶活性，从而在缺氧条件下导致脂滴显著积累。然而，目前对缺氧癌细胞中脂滴的数量、成分和分布变化，特别是在单细胞水平上的了解仍有限。相干拉曼散射（CRS）显微技术，包括CARS和SRS，能够定量对脂滴成像，并追踪其动态变化。尽管CRS显微技术已经广泛应用于研究脂滴特性，但尚未用于揭示缺氧诱导的脂滴变化。

近日，普渡大学张驰教授课题组在期刊Chem. Biomed. Imaging上发表了关于缺氧环境对癌细胞脂滴变化影响的研究。该研究利用相干拉曼散射（CRS）显微技术探讨了缺氧条件下癌细胞的脂质代谢变化。研究发现，缺氧条件下脂滴（LDs）在内质网上积累。为了实现对缺氧条件下癌细胞的长期追踪，课题组结合了epi-CARS技术，并精确控制了活细胞的微环境。通过集成显微镜平台细胞培养器（stage-top incubator），团队成功地在显微镜平台上实现了对活体癌细胞氧气含量的控制，并在同一视场下对细胞进行了长时间追踪（最长可达72小时， 参见图1a）。整个实验系统可以完全通过远程操控来完成实时监测和成像。时间分辨的CRS显微成像显示，在缺氧培养过程中，细胞内旧脂滴从内质网释放，新合成的脂滴在内质网上重新积累（图1b）。此外，研究还探讨了碳源对脂滴形成的影响，发现MIA PaCa2细胞倾向于通过脂肪酸摄取形成脂滴，而葡萄糖对于缓解脂毒性至关重要。超光谱受激拉曼散射（SRS）显微成像揭示，在缺氧的MIA PaCa2癌细胞中，胆固醇酯含量减少，脂滴的脂质饱和度下降。这种脂滴成分的变化有助于解释为何在缺氧环境下，针对胆固醇酯形成的靶向治疗效果会降低。在缺氧环境下MIA PaCa2细胞内脂滴的改变概括参见图2。

图1. (a) Epi-CARS 成像系统。该系统可以结合集成显微镜平台细胞培养器（stage-top incubator）从而控制细胞环境中的氧含量，并对同一视场下细胞进行长时间观测。（b）MIA PaCa2 细胞在缺氧环境下脂滴的变化。整个观测过程持续31个小时。被观察细胞和其内质网的外围由黄色和蓝色线标记。

图2. 胰腺癌MIA PaCa2细胞在缺氧环境下脂滴的代谢变化总结。

本研究揭示了缺氧癌细胞中重要的脂质代谢变化，为开发更有效的治疗策略应对缺氧耐受的癌细胞提供了新见解。此外，该研究还展示了相干拉曼技术在癌症研究中的优势。对活细胞的长期观测成像是相干拉曼领域的一个挑战，而本研究展示了相干拉曼技术能够在同一视场下长期实时观察活细胞，并精确调控细胞环境中的氧气含量。目前研究中的缺氧环境氧气浓度为0.1%。未来的研究将重点探讨不同氧气浓度对细胞脂滴的影响，并利用三维细胞培养研究脂滴在三维细胞模型中的变化。

相关论文发表在高质量期刊Chemical & Biomedical Imaging上，博士生Gil Gonzalez为文章的第一作者， 张驰教授为通讯作者。