探索活細胞脂肪代謝過程：光學紅外顯微成像技術揭開DNL的奧秘
從頭脂肪生成(DNL)是脂肪和肝臟組織產生脂質代謝的關鍵過程。該途徑的失調與肥胖、非酒精性脂肪性肝病和II型糖尿病密切相關。但是DNL在細胞內的研究非常困難，常規的脂質染料缺乏特異性，抗體和小分子染料很難特異性標記這些脂質體。雖然目前可以使用葡萄糖基代謝探針等同位素來標記這些物質，但是很難具備亞微米級別的空間分辨率，同時無法對細胞內部進行成像，也不能提供脂質的特性和其他環境生物分子的組成信息。這些都極大的限制了脂質體的相關研究，尤其是活細胞內脂質代謝的研究。
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采用新型光學光熱誘導共振（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對細胞結構的觀測，與光學顯微鏡基本相同，有助于理解亞細胞器結構。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。而其特有的探測機制使得mIRage能夠很大限度上避免水的干擾，真正實現活細胞的探測。
近期，耶魯大學成功安裝了非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage，并在活細胞脂肪代謝研究中取得了新的進展！
在該研究中，Sydney O. Shuster等人使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage觀測DNL在活細胞和固定脂肪細胞中的分布。作者認為在DNL、葡萄糖或其他碳水化合物代謝形成游離脂肪酸(FFA) 和甘油三酯的途徑中，首先形成糖酵解丙酮酸，后被帶進線粒體，通過TCA循環轉化為檸檬酸鹽。檸檬酸鹽再轉化為酰基輔酶a和丙二酰輔酶a用于脂肪酸合成并產生甘油三酯，然后儲存在脂滴中作為能量儲備。通過mIRage對固定的3T3-L1細胞的成像分析，作者通過脂肪代表性的酯羰基振動1747cm-1成功定位到細胞中的大部分脂質、甘油三酯的分布，并通過1655和1541cm-1處的酰胺-I和酰胺-II帶定位蛋白質。
DNL的代謝途徑與固定細胞的明場與紅外脂質體與蛋白的熱圖成像
為了跟蹤葡萄糖代謝和DNL，作者給細胞喂入13C葡萄糖來代替12C葡萄糖。因為它的分子振動模式與所涉及的原子質量增加導致紅外波數的紅移，通過檢測發現羰基的拉伸震動紅移了44 cm-1。有趣的是1239 cm-1的波段本身不能明確地區分給C-O-C或PO2 ，而未標記細胞中的不對稱拉伸在13C標記后時消失，這可能是紅移到相鄰的峰中導致的。這表明該峰值的主要來源是C-O-C 甘油三酯和/或膽固醇酯的不對稱拉伸震動，并且磷脂不會顯著地干擾3T3-L1脂肪細胞中的信號。而蛋白信號在這一過程中沒有變化，表明蛋白質不會隨著13C葡萄糖的供給而偏移。與之相對，CH3和CH2相關的1450cm-1波段蛋白質和脂類的變形和伸展震動的出峰不變。這可能是由于形成的甘油三酯來自游離脂肪酸和甘油的酯化。雖然兩者都是 FFA和甘油由葡萄糖通過糖酵解產生，但它們以不同的速度產生和回收，影響著這些波段的移動速率。
進一步對加入13C葡萄糖24、48和72小時后的細胞進行檢測，結果顯示平均單細胞13C/12C比率在測試期間(72小時)持續增加，最終比率為0.54±0.14。其中大部分的13C轉化成甘油三酯，并且DNL在空間上也是異質的。
對不同時間點固定的細胞進行觀測和對比其中的DNL含量
在活細胞實驗中，也取得了和固定細胞類似的結果，并且活細胞的光譜圖像比固定的更清晰，細胞和與蛋白質酰胺-I信號重疊較少證明了這項技術甚至可以檢測到活細胞中甘油三酯到12C甘油三酯13C比率的微小差異。
活細胞的DNL含量觀測
綜上所述，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage在細胞成像中具有優異的潛力，可以提供脂質種類的信息，提供對低濃度物質如游離脂肪酸的定位，并允許對每個樣品的脂質和蛋白質光譜特征進行全面位置光譜分析，并且能夠應用長時間觀測。這項技術未來將可以用于繪制細胞系和細胞內DNL的比率、疾病狀態，進一步揭示DNL 導致代謝紊亂的原因。在評估針對調節DNL和治療疾病的藥物方面提供諸多幫助。
參考文獻：
Spatiotemporal Heterogeneity of De Novo Lipogenesis in Fixed and Living Single Cells. J. Phys. Chem. B 2023, 127, 2918−2926
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