华人学者顶级期刊：单细胞葡萄糖摄取活性成像

最近，哥伦比亚大学的研究人员报道了一种新方法，通过具有最小干扰的光学显微镜，来观察单细胞内的葡萄糖摄取活性。相关研究结果发表在七月十六日的国际化学顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。这项研究是在闵玮（Wei Min）教授带领下完成的，其研究小组开发出一种新的葡萄糖类似物，可以模仿天然葡萄糖，并在单细胞水平上，对活的癌细胞、神经元和组织吸收葡萄糖作为能量来源的过程，进行了影像。

闵玮博士2003年毕业于北京大学化学专业，2008年在哈佛大学获化学博士学位，导师为美国科学院院士谢晓亮教授，之后在其课题组从事博士后研究。2010年，闵玮成为哥伦比亚大学化学系助理教授，2011年他加入哥伦比亚大学Kavli脑科学研究所，其研究成果多次发表在ACS Chem. Biol、J. Am. Chem. Soc、Nature Method、PNAS等国际学术期刊，因其科学贡献获得过很多奖项，其中包括2013年的斯隆研究奖。

葡萄糖作为一种能量来源，被几乎所有生命形态（从细菌到人）所消耗。细胞对葡萄糖的摄取，密切地反映了细胞的能量需求，并在许多病理条件下变得调节不佳，如肥胖、糖尿病和癌症。为了可视化这个重要的过程，在过去的几十年里，研究人员已经发展出几种杰出的技术。放射性氟-18标记的葡萄糖，被广泛应用于临床癌症诊断，使用正电子发射断层扫描（PET）定位人体中的代谢热点。最近有研究使用磁共振成像（MRI）在小鼠肿瘤中进行葡萄糖显像。虽然这两种方法都能很好地应用于临床应用，但它们没有足够的空间分辨率，不能在单细胞水平上可视化葡萄糖的摄取过程。

为了在细胞水平上可视化葡萄糖摄取活性，已有研究开发出具有荧光染料标记的葡萄糖类似物。遗憾的是，在葡萄糖上标记荧光，会改变其化学性质。此外，荧光染料总是比葡萄糖本身更大。因此，大多数的荧光标记葡萄糖类似物，在细胞和组织中会产生不受欢迎的相互作用，这将使真正的葡萄糖分布发生偏差。

为了克服这些问题，闵玮和他的研究团队开发出一种新的方法，基于受激拉曼散射（SRS）成像，可视化单细胞内的葡萄糖摄取活性，并展示了其在肝癌细胞、肿瘤异种移植组织、原代神经元及小鼠脑组织中的应用。之前，已经有研究将SRS和炔烃标记相结合，作为一般策略对生物小分子进行成像。特别是，葡萄糖被标记有小炔烃标签（即，碳碳三重键），以在另外的沉默区域产生一个强烈和典型的拉曼散射信号，这可以通过高灵敏度和特异性的SRS显微镜进行，产生一副三维的定量浓度图。

这种技术能够区分具有不同代谢活动的癌症细胞系，并揭示了神经元、小鼠脑组织和肿瘤组织（具有清楚的细胞间变化）中不同的糖摄取模式。肿瘤增殖区与坏死区域之间的边界，可以清楚地显示在单细胞水平上，它们的葡萄糖摄取活性具有鲜明的对比。

本文第一作者Fanghao Hu介绍说：“通过利用亚细胞分辨率的明显优势，并避免荧光染料的不良影响，我们相信这项技术可以弥补临床PET成像中的FDG，用于单细胞水平上影像葡萄糖摄取活性。”目前，闵玮的研究团队正在应用这种技术，可视化小鼠体内的葡萄糖摄取动态。闵教授表示：“我们预计，这种新方法将成为亚细胞分辨率上研究生命系统能源需求的一种有吸引力的工具，尤其是在大脑和恶性肿瘤，它们具有很高的能源需求。”

原文摘要：
Vibrational Imaging of Glucose Uptake Activity in Live Cells and Tissues by Stimulated Raman Scattering

Abstract: Glucose is a ubiquitous energy source for most living organisms. Its uptake activity closely reflects cellular metabolic demand in various physiopathological conditions. Extensive efforts have been made to specifically image glucose uptake, such as with positron emission tomography, magnetic resonance imaging, and fluorescence microscopy, but all have limitations. A new platform to visualize glucose uptake activity in live cells and tissues is presented that involves performing stimulated Raman scattering on a novel glucose analogue labeled with a small alkyne moiety. Cancer cells with differing metabolic activities can be distinguished. Heterogeneous uptake patterns are observed with clear cell–cell variations in tumor xenograft tissues, neuronal culture, and mouse brain tissues. By offering the distinct advantage of optical resolution but without the undesirable influence of fluorophores, this method will facilitate the study of energy demands of living systems with subcellular resolution.