導讀：

脂代謝的異質性在生物系統中普遍存在，與糖尿病，癌癥和神經退行性疾病密切相關，深度影響著人類的健康。想要開展精準的人類代謝研究和相關療法開發，不僅需要建造合適的模型，也需要足夠精確的成像方法以獲得準確的結果。然而正電子發射斷層掃描（PET）和核磁共振成像（MRI）的空間分辨率較低，無法達到細胞水平；熒光成像分辨率雖然可達亞微米級，但由于熒光染料的引入又會影響到細胞的生理活動，導致分子通路的變化。振動光譜成像方法使用的探針，相對于熒光分子具有更小的尺寸和更好的生物兼容性，不會影響細胞的正常生理活動。常用的方法有紅外吸收和拉曼散射，其中紅外吸收具有更高的靈敏度和成像速度，但傳統的方法如傅里葉紅外（FTIR）的分辨率無法達到單細胞或亞細胞級；拉曼散射容易受到背景熒光影響，導致譜線分析結果失準。

O-PTIR技術

美國PSC公司研發的全新非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage的出現為上述問題提供了新的解決方案。mIRage采用新型光學光熱紅外（O-PTIR）技術，不僅具備傳統FTIR的特性，可以對物質的分子結構進行解析，還克服了傳統紅外空間分辨率不足，無法精細表征細胞內部結構的問題，其分辨高達500 nm，可在亞微米尺度上實現細胞結構以及細胞內生物分子分布的觀測，與光學顯微鏡基本相同，有助于研究亞細胞器結構和細胞內信號通路。設備光熱膨脹技術能夠在不接觸樣品的情況下進行檢測，大幅度簡化了樣品制備過程，全程對樣品無污染，并且沒有米氏散射問題，可在不平整的表面上取得良好的譜線。而其特殊的檢測機制使得mIRage能夠很大限度上避免水的干擾，真正實現對單細胞的檢測。

非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage

近期，加州大學圣巴巴拉分校的Kenneth S. Kosik研究組以棕櫚酸疊氮化物（azide-PA）作為探針，使用mIRage檢測體外細胞模型中新合成的脂質以研究細胞脂代謝。相關文章發表在Nature communication上。這也是繼耶魯大學研究團隊在2023年觀測DNL在活細胞和固定脂肪細胞中的分布^[1]后，mIRage在脂類代謝研究領域的又一突破！

研究成果概述

棕櫚酸疊氮化物（azide-PA）是一種合成脂肪酸，可用作核苷酸的修飾標記，脂肪酸代謝的分子探針。azide-PA加入培養基后，可被細胞利用合成甘油三酯，磷脂和固醇類。mIRage檢測azide-PA的光譜結果顯示和PA相比，其在2100cm_-1具有疊氮基團的吸收峰，且在此區域沒有細胞內源性的信號，因此azide-PA非常適合用于檢測細胞內的脂質分布。

圖1. azide-PA可被細胞利用合成脂質（左）； azide-PA/PA/細胞的IR譜（右）。

神經膠質瘤細胞在含有azide-PA的培養基中培養6.5h后，使用mIRage分別在2096 cm^-1和1744 cm^-1進行成像，可以得到azide-PA和細胞脂質總體的分布（圖2D）。和BODIPY染色結果對比可確定O-PTIR對脂質成像的準確性，且擬合得到O-PTIR的空間分辨率在500 nm左右（圖2E）。接下來將神經膠質瘤細胞分別在含azide-PA和僅含未修飾的PA的培養基中培養，含azide-PA的培養基中的細胞可在2096 cm^-1成像觀察到（圖2F&圖2G）。計算細胞的總脂質/蛋白比（1740/1650）與新合成脂質/總脂質比（2096/1740），可以發現兩種細胞的總脂質/蛋白比沒有顯著差異，表示azide-PA具有良好的生理相容性（圖2H）；新合成脂質/總脂質比與預期一致（圖2I）。

圖2D：細胞總脂質(1744   cm^-1)/新合成脂質(2096 cm^-1)/BODIPY染色的圖像；E：O-PTIR的空間分辨率；

F：人神經膠質瘤細胞經azide-PA/PA培養基培養后的細胞總脂質(1744 cm^-1)/新合成脂質(2096 cm^-1)/明場的圖像；

G：azide-PA/PA培養基培養后的細胞的O-PTIR譜線；H、I：細胞總脂質和新合成脂質的統計分析。

此外，mIRage還可以長時間動態的對活細胞內的脂質進行成像，從而實現單細胞水平的動態脂質代謝：

圖3. 活細胞不同時間點脂質代謝變化

經過細胞系的檢測后，研究組接下來使用mIRage研究了hiPSC與hiPSC分化的神經膠質細胞的脂代謝。將hiPSC與神經膠質細胞在含有azide-PA的培養基中培養24h后，使用mIRage進行成像發現，神經膠質細胞在2096 cm^-1和1744 cm^-1的信號強度（圖4A&圖4B），及總脂質/蛋白比（1740/1650）與新合成脂質/總脂質比（2096/1740）均高于hiPSC（圖4C&圖4D），表示在hiPSC分化過程中脂質的合成更加活躍，脂質的合成可能與早期腦發育有關。

圖4. A：hiPSC分化的神經膠質細胞與hiPSC的總脂質/新合成脂質/明場的圖像；B：兩種細胞的O-PTIR譜線；C、D：兩種細胞的總脂質和新合成脂質的統計分析。

根據以上研究結果，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage可以進行高分辨率、高特異性的單細胞成像，以研究人細胞中脂代謝的研究，且可以擴展到其他生物分子的代謝，以研究更廣泛的代謝通路和過程。O-PTIR技術與紅外探針結合的單細胞代謝成像，將帶來更多生物領域的新發現，助力開發更有效的疾病療法。

作為美國PSC公司在中國的代理，Quantum Design中國于2020年將非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage系統引入國內，助力中國科研工作者取得一個又一個重大突破：

mIRage國內部分發表文章一覽

? 南京大學借助mIRage建立了一種新型的塑料表面亞微米尺度化學變化表征方法。該工作發表在著名期刊Nature   Nanotechnology上。

? 中國醫學科學院醫藥生物技術研究所借助mIRage成功實現對 藥物載體的原位成分分析。相關工作發表在Small Structures 上。

? 中國農業大學借助mIRage成功實現對玉米粉中痕量微塑料的原位可視化表征。該工作發表在Science of the Total Environment上。

? 中國科學技術大學借助mIRage研究微塑料。該工作發表在Environmental Science & Technology上。

樣機體驗

為了更好地服務中國客戶，Quantum   Design 中國子公司在北京建立了專業的客戶服務中心，引入了非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統！歡迎各位老師垂詢！

參考文獻：

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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