在单细胞水平上可视化代谢过程——使用与人工智能配对的基因编码生物传感器

在单细胞水平上可视化代谢过程

芝加哥大学开发的一种新的成像和机器学习技术使科学家能够观察细胞分解葡萄糖，这可能会导致治疗多种疾病的新方法，包括癌症和 COVID-19。

了解细胞代谢——细胞如何利用能量——可能是治疗多种疾病的关键，包括血管疾病和癌症。

虽然许多技术可以在数以万计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分子工程学院和生物科学部的研究人员开发了一种成像和机器学习相结合的技术，可以首次在细胞和亚细胞水平上测量代谢过程。

使用与人工智能配对的基因编码生物传感器，研究人员能够测量单个内皮细胞（血管排列的细胞）的糖酵解，即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，它们会使用更多的葡萄糖，而且他们还发现细胞通过一种以前未知的受体吸收葡萄糖。了解这一过程可以更好地治疗癌症和血管疾病，包括COVID-19。

该研究由 Assoc 领导，发表在Nature Metabolism上。云芳教授和助理共同领导。黄军教授，原博士后，现助理教授。David Wu 教授和生物物理科学研究生 Devin Harrison。

“了解细胞代谢非常重要，”黄说。“通过测量单细胞代谢，我们可能有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可视化细胞代谢，甚至在亚细胞水平上，这可能从根本上改变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提供一个紧密的层，但当它们需要免疫系统的帮助时，它们可以收缩，在该层内留下空隙。异常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入，这发生在急性呼吸窘迫综合征的情况下。（这通常发生在患有严重 COVID-19 病例的患者身上。）

为了更好地了解细胞如何代谢能量来促进这种收缩，研究人员转向了 Förster 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。

尽管研究人员没有制造传感器，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，使他们能够对细胞进行成像、分析数据并解析细胞和亚细胞水平的糖酵解反应。

“我们最终能通过新陈代谢对细胞进行重编程吗？”

–助理。黄军教授

“现在我们可以查看和了解细胞内的细节，例如糖酵解增加的某些细胞区域，”Fang 说。“这是一项关键的技术创新。”

他们能够测量当它们收缩和移动时使用了多少葡萄糖细胞，并且他们还发现了由细胞的细胞骨架（一种称为 GLUT3 的受体）介导的葡萄糖转运的新机制，这些细胞用来吸收葡萄糖。

创造新的治疗方法

了解糖酵解在细胞水平上的作用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、需要帮助弥合肺部周围内皮细胞间隙的患者。

“如果我们能找到一种抑制收缩的方法，我们就可以减轻 COVID-19 患者的急性呼吸窘迫综合征，”方说。

它在治疗癌症方面也具有重要意义。由糖酵解驱动的内皮迁移和增殖是参与血管生长的主要细胞过程，这是肿瘤存活和生长所必需的。了解其工作原理可以帮助研究人员破坏肿瘤并抑制肿瘤生长。

它也可用于 CAR T 细胞疗法，该疗法可以募集人体自身的免疫系统来对抗肿瘤。虽然这种疗法对一些人来说已经挽救了生命，但许多患者对它没有反应。由于内皮细胞对于允许 T 细胞浸润肿瘤很重要，并且细胞代谢对 T 细胞功能有帮助，因此研究人员认为，调节细胞代谢可以帮助创建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 引起的急性呼吸窘迫综合征。

“我们最终能通过新陈代谢对细胞进行重编程吗？” 黄说。“这是一个重要的问题，我们需要了解新陈代谢的工作原理。这里有巨大的潜力，而这只是起点。”

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