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在單細胞水平上可視化代謝過程——使用與人工智能配對的基因編碼生物傳感器

在單細胞水平上可視化代謝過程

芝加哥大學開發的一種新的成像和機器學習技術使科學家能夠觀察細胞分解葡萄糖,這可能會導致治療多種疾病的新方法,包括癌癥和 COVID-19。

了解細胞代謝——細胞如何利用能量——可能是治療多種疾病的關鍵,包括血管疾病和癌癥。

雖然許多技術可以在數以萬計的細胞中測量這些過程,但研究人員一直無法在單細胞水平上測量它們。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院和生物科學部的研究人員開發了一種成像和機器學習相結合的技術,可以首次在細胞和亞細胞水平上測量代謝過程。

使用與人工智能配對的基因編碼生物傳感器,研究人員能夠測量單個內皮細胞(血管排列的細胞)的糖酵解,即將葡萄糖轉化為能量的過程。

他們發現,當這些細胞移動和收縮時,它們會使用更多的葡萄糖,而且他們還發現細胞通過一種以前未知的受體吸收葡萄糖。了解這一過程可以更好地治療癌癥和血管疾病,包括COVID-19。

該研究由 Assoc 領導,發表在Nature Metabolism上。云芳教授和助理共同領導。黃軍教授,原博士后,現助理教授。David Wu 教授和生物物理科學研究生 Devin Harrison。

“了解細胞代謝非常重要,”黃說。“通過測量單細胞代謝,我們可能有一種治療多種疾病的新方法。”

“這是我們第一次在不同的時間和空間尺度上可視化細胞代謝,甚至在亞細胞水平上,這可能從根本上改變研究人員研究細胞代謝的語言和方法,”方說。

測量糖酵解

內皮細胞通常在血管內提供一個緊密的層,但當它們需要免疫系統的幫助時,它們可以收縮,在該層內留下空隙。異常收縮會導致血管滲漏,導致心臟病發作或中風。肺部周圍血管的這種收縮也會導致液體滲入,這發生在急性呼吸窘迫綜合征的情況下。(這通常發生在患有嚴重 COVID-19 病例的患者身上。)

為了更好地了解細胞如何代謝能量來促進這種收縮,研究人員轉向了 Förster 共振能量轉移傳感器——一種可以測量細胞內乳酸含量的基因編碼生物傳感器。乳酸是糖酵解的副產物。

盡管研究人員沒有制造傳感器,但通過將傳感器與機器學習算法配對,他們創造了一種更強大的技術,使他們能夠對細胞進行成像、分析數據并解析細胞和亞細胞水平的糖酵解反應。

“我們最終能通過新陳代謝對細胞進行重編程嗎?”

助理。黃軍教授

“現在我們可以查看和了解細胞內的細節,例如糖酵解增加的某些細胞區域,”Fang 說。“這是一項關鍵的技術創新。”

他們能夠測量當它們收縮和移動時使用了多少葡萄糖細胞,并且他們還發現了由細胞的細胞骨架(一種稱為 GLUT3 的受體)介導的葡萄糖轉運的新機制,這些細胞用來吸收葡萄糖。

創造新的治療方法

了解糖酵解在細胞水平上的作用最終可能會導致在有益的情況下抑制這一過程的治療——例如,在動脈粥樣硬化患者的血管滲漏的情況下。例如,它還可以幫助免疫系統對 COVID-19 反應過度、需要幫助彌合肺部周圍內皮細胞間隙的患者。

“如果我們能找到一種抑制收縮的方法,我們就可以減輕 COVID-19 患者的急性呼吸窘迫綜合征,”方說。

它在治療癌癥方面也具有重要意義。由糖酵解驅動的內皮遷移和增殖是參與血管生長的主要細胞過程,這是腫瘤存活和生長所必需的。了解其工作原理可以幫助研究人員破壞腫瘤并抑制腫瘤生長。

它也可用于 CAR T 細胞療法,該療法可以募集人體自身的免疫系統來對抗腫瘤。雖然這種療法對一些人來說已經挽救了生命,但許多患者對它沒有反應。由于內皮細胞對于允許 T 細胞浸潤腫瘤很重要,并且細胞代謝對 T 細胞功能有幫助,因此研究人員認為,調節細胞代謝可以幫助創建更好的免疫治療系統。

研究人員目前正在阿貢國家實驗室測試此類抑制劑以治療 COVID-19 引起的急性呼吸窘迫綜合征。

“我們最終能通過新陳代謝對細胞進行重編程嗎?” 黃說。“這是一個重要的問題,我們需要了解新陳代謝的工作原理。這里有巨大的潛力,而這只是起點。”

文章出自:科信儀器 轉載時必須以鏈接形式注明作者和原始出處及本聲明。
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