研究人员首次在单细胞水平上可视化了代谢过程

【字体: 时间:2021年06月21日 来源:Nature Metabolism

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  芝加哥大学普利兹克学院分子工程和生物科学部的研究人员开发了一种结合成像和机器学习的技术,该技术首次可以在细胞和亚细胞水平上测量代谢过程。

  

 

   

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图片:一种新的PME成像和机器学习技术可以测量细胞和亚细胞水平的糖酵解,可能导致治疗一系列疾病的新方法

资料来源:芝加哥大学实验室

了解细胞代谢——细胞如何使用能量——可能是治疗一系列疾病的关键,包括血管疾病和癌症。

虽然许多技术可以在成千上万的细胞中测量这些过程,但研究人员一直无法在单细胞水平上测量它们。

芝加哥大学普利兹克学院分子工程和生物科学部的研究人员开发了一种结合成像和机器学习的技术,该技术首次可以在细胞和亚细胞水平上测量代谢过程。

使用一个基因编码的生物传感器与人工智能配对,研究人员能够测量单个内皮细胞(血管细胞)的糖酵解(将葡萄糖转化为能量的过程)。

他们发现,当这些细胞移动和收缩时,它们消耗更多的葡萄糖,他们还发现,细胞通过一个以前未知的受体摄取葡萄糖。了解这一过程可能有助于更好地治疗癌症和血管疾病,包括COVID-19。

这项研究发表在《自然新陈代谢》杂志上。方云教授、黄军助理教授、前博士后研究员、现任助理教授吴大伟教授和生物物理科学研究生戴文·哈里森共同领导。

“了解细胞代谢是普遍重要的,”黄说。“通过测量单细胞代谢,我们有可能获得一种治疗多种疾病的新方法。”

“这是我们第一次在不同的时间和空间尺度上看到细胞代谢,甚至是在亚细胞水平上,这可能从根本上改变了研究人员研究细胞代谢的语言和方法,”方说。

测量糖酵解

内皮细胞通常在血管内形成一层致密的血管层,但当它们需要免疫系统的帮助时,它们会收缩,在血管层内留下空隙。不正常的收缩会导致血管渗漏,导致心脏病发作或中风。肺部周围血管的这种收缩也会导致液体渗漏,这发生在急性呼吸窘迫综合征的情况下。(这通常发生在COVID-19重症患者中。)

为了更好地了解细胞如何代谢能量来为这种收缩提供燃料,研究人员转向F?rster共振能量转移传感器——一种可以测量细胞内乳酸含量的基因编码生物传感器。乳酸是糖酵解的副产物。

虽然研究人员没有创造传感器,但通过将传感器与机器学习算法配对,他们创造了一种更强大的技术,允许他们在细胞和亚细胞水平上对细胞成像、分析数据、分析糖酵解反应。

“现在我们可以观察和了解细胞内部的细节,比如细胞中糖酵解增加的特定区域,”方说。“这是一项关键的技术创新。”

他们能够测量出当葡萄糖细胞收缩和移动时使用了多少葡萄糖,他们还发现了一种新的葡萄糖运输机制,由细胞的细胞骨架介导——一种叫做GLUT3的受体——这些细胞用来摄取葡萄糖。

创建新的治疗方法

理解糖酵解是如何在细胞水平上工作的,最终可能会导致在有益的情况下抑制这一过程的治疗——例如,在动脉粥样硬化患者的血管渗漏的情况下。例如,它还可以帮助免疫系统对COVID-19反应过度、需要帮助填补肺部内皮细胞间隙的患者。

方舟子说:“如果我们能找到抑制收缩的方法,就可以减轻COVID-19患者的急性呼吸窘迫综合征。”

它在治疗癌症方面也有重要意义。糖酵解驱动的内皮迁移和增殖是血管生长的主要细胞过程,是肿瘤生存和生长所必需的。了解它是如何工作的,可以帮助研究人员摧毁肿瘤和抑制肿瘤生长。

它也可以用于CAR - t细胞治疗,CAR - t细胞利用人体自身的免疫系统来对抗肿瘤。虽然这种疗法挽救了一些患者的生命,但许多患者对它没有反应。由于内皮细胞对t细胞浸润肿瘤很重要,细胞代谢对t细胞的功能很重要,研究人员认为调节细胞代谢可以帮助创建一个更好的免疫治疗系统。

研究人员目前正在阿贡国家实验室测试此类抑制剂,以治疗covid -19诱发的急性呼吸窘迫综合征。

“我们能否通过新陈代谢最终对细胞进行重新编程?”黄说。“这是一个很重要的问题,我们需要了解新陈代谢是如何工作的。这里有巨大的潜力,而这只是一个起点。”

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 "Single-cell metabolic imaging reveals a SLC2A3-dependent glycolytic burst in motile endothelial cells," Wu, D., Harrison, D.L., Szasz, T. et al. Nature Metabolism, May 24, 2021, https://doi.org/10.1038/s42255-021-00390-y

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