無標(biāo)記活細(xì)胞成像技術(shù)應(yīng)用于高時(shí)空分辨率捕捉蛋白結(jié)構(gòu)變化

本文介紹了一項(xiàng)發(fā)表于《Nature Biomedical Engineering》的創(chuàng)新研究，開發(fā)了一種名為中紅外光聲顯微鏡（MiROM）的無標(biāo)記活細(xì)胞成像技術(shù)。該技術(shù)能夠敏感地檢測蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化，特別是在多發(fā)性骨髓瘤治療中，通過監(jiān)測β-折疊結(jié)構(gòu)的形成來評估患者對藥物的反應(yīng)。傳統(tǒng)方法如流式細(xì)胞術(shù)或免疫印跡需要熒光標(biāo)記或大量細(xì)胞，且只能提供群體水平的快照信息，而MiROM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞水平、實(shí)時(shí)、縱向的評估，僅需少量細(xì)胞即可完成。

本研究的核心貢獻(xiàn)者包括Francesca Gasparin、Marlene R. Tietje、Eslam Katab、Aizada Nurdinova、Tao Yuan、Andriy Chmyrov、Nasire Uluc、Dominik Jüstel、Florian Bassermann、Vasilis Ntziachristos和Miguel A. Pleitez。文章標(biāo)題為“Label-free protein-structure-sensitive live-cell microscopy for patient-specific assessment of myeloma therapy”，于2025年7月14日在《Nature Biomedical Engineering》期刊上在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01技術(shù)原理與基礎(chǔ)驗(yàn)證
MiROM技術(shù)基于光聲效應(yīng)原理，通過中紅外激光激發(fā)生物分子振動，并檢測產(chǎn)生的超聲波信號來實(shí)現(xiàn)成像。與傳統(tǒng)中紅外光譜不同，MiROM采用正對比機(jī)制，即光學(xué)吸收越強(qiáng)，超聲波信號越強(qiáng)，從而克服了水吸收導(dǎo)致的靈敏度限制。研究團(tuán)隊(duì)首先在蛋白質(zhì)溶液體系中驗(yàn)證了MiROM的特異性，例如血紅蛋白（以α-螺旋為主）和伴刀豆球蛋白A（以β-折疊為主）的光譜顯示，MiROM能夠清晰區(qū)分不同二級結(jié)構(gòu)特征，與標(biāo)準(zhǔn)ATR-FTIR光譜結(jié)果一致。

進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)通過熱變性實(shí)驗(yàn)展示了MiROM檢測蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的能力。白蛋白在天然狀態(tài)下顯示α-螺旋特征峰（1654 cm⁻¹），而變性后出現(xiàn)β-折疊峰（1612 cm⁻¹），這證實(shí)了MiROM對蛋白質(zhì)折疊狀態(tài)的敏感性。在活細(xì)胞應(yīng)用中，團(tuán)隊(duì)使用HeLa細(xì)胞在D₂O/H₂O混合培養(yǎng)基中進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)D₂O比例越高，圖像對比度越強(qiáng)，最高可達(dá)純水環(huán)境的3.4倍，且細(xì)胞活性在70% D₂O中保持93.8%，證明了技術(shù)的生物相容性。

通過非負(fù)矩陣分解（NMF）分析，團(tuán)隊(duì)提取了5個(gè)光譜組分，其中組分2（1618 cm⁻¹）和組分4（1666 cm⁻¹）分別對應(yīng)β-折疊和α-螺旋結(jié)構(gòu)。在治療組中，β-折疊組分顯著增加（96小時(shí)后上升174%），而α-螺旋組分下降，進(jìn)一步驗(yàn)證了MiROM的定量能力。t-SNE聚類分析顯示，治療后細(xì)胞光譜與對照組明顯分離，突出了技術(shù)的單細(xì)胞分辨率優(yōu)勢。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破成像難題
MiROM技術(shù)解決了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡在蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)檢測中的核心瓶頸。可見光區(qū)技術(shù)缺乏特異性，而常規(guī)中紅外光譜受水吸收干擾，需使用超薄路徑或同步輻射光源，易造成細(xì)胞損傷。MiROM通過光聲探測機(jī)制，將光學(xué)吸收轉(zhuǎn)化為聲信號，實(shí)現(xiàn)了在生理?xiàng)l件下對活細(xì)胞的無標(biāo)記成像。其靈敏度在酰胺I區(qū)（1700-1600 cm⁻¹）可達(dá)信號變化1%，遠(yuǎn)高于拉曼顯微鏡等技術(shù)，為蛋白質(zhì)動態(tài)研究提供了新途徑。

總結(jié)與展望
本研究開發(fā)的MiROM技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了無標(biāo)記、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)敏感的活細(xì)胞成像，為多發(fā)性骨髓瘤治療評估提供了高效、微創(chuàng)的新方法。通過檢測β-折疊結(jié)構(gòu)作為生物標(biāo)志物，MiROM能夠在單細(xì)胞水平實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物響應(yīng)，克服了傳統(tǒng)技術(shù)的局限性。未來，通過優(yōu)化激光參數(shù)和成像速度，MiROM可進(jìn)一步提升靈敏度并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，如用于其他癌癥或神經(jīng)退行性疾病研究。展望中，該技術(shù)有望成為臨床標(biāo)準(zhǔn)工具，幫助醫(yī)生快速測試多種藥物組合，優(yōu)化患者特異性治療方案，最終提升治療效果并減少患者痛苦。

DOI:10.1038/s41551-025-01443-3.