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在單細(xì)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(xì)胞水平上可視化代謝過程

芝加哥大學(xué)開發(fā)的一種新的成像和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使科學(xué)家能夠觀察細(xì)胞分解葡萄糖,這可能會導(dǎo)致治療多種疾病的新方法,包括癌癥和 COVID-19。

了解細(xì)胞代謝——細(xì)胞如何利用能量——可能是治療多種疾病的關(guān)鍵,包括血管疾病和癌癥。

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

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院和生物科學(xué)部的研究人員開發(fā)了一種成像和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的技術(shù),可以首次在細(xì)胞和亞細(xì)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(nèi)皮細(xì)胞(血管排列的細(xì)胞)的糖酵解,即將葡萄糖轉(zhuǎn)化為能量的過程。

他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)這些細(xì)胞移動和收縮時,它們會使用更多的葡萄糖,而且他們還發(fā)現(xiàn)細(xì)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(lǐng)導(dǎo),發(fā)表在Nature Metabolism上。云芳教授和助理共同領(lǐng)導(dǎo)。黃軍教授,原博士后,現(xiàn)助理教授。David Wu 教授和生物物理科學(xué)研究生 Devin Harrison。

“了解細(xì)胞代謝非常重要,”黃說。“通過測量單細(xì)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(xì)胞代謝,甚至在亞細(xì)胞水平上,這可能從根本上改變研究人員研究細(xì)胞代謝的語言和方法,”方說。

測量糖酵解

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

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

盡管研究人員沒有制造傳感器,但通過將傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)算法配對,他們創(chuàng)造了一種更強(qiáng)大的技術(shù),使他們能夠?qū)?xì)胞進(jìn)行成像、分析數(shù)據(jù)并解析細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的糖酵解反應(yīng)。

“我們最終能通過新陳代謝對細(xì)胞進(jìn)行重編程嗎?”

助理。黃軍教授

“現(xiàn)在我們可以查看和了解細(xì)胞內(nèi)的細(xì)節(jié),例如糖酵解增加的某些細(xì)胞區(qū)域,”Fang 說。“這是一項關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新。”

他們能夠測量當(dāng)它們收縮和移動時使用了多少葡萄糖細(xì)胞,并且他們還發(fā)現(xiàn)了由細(xì)胞的細(xì)胞骨架(一種稱為 GLUT3 的受體)介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的新機(jī)制,這些細(xì)胞用來吸收葡萄糖。

創(chuàng)造新的治療方法

了解糖酵解在細(xì)胞水平上的作用最終可能會導(dǎo)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(tǒng)對 COVID-19 反應(yīng)過度、需要幫助彌合肺部周圍內(nèi)皮細(xì)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(qū)動的內(nèi)皮遷移和增殖是參與血管生長的主要細(xì)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(xì)胞療法,該療法可以募集人體自身的免疫系統(tǒng)來對抗腫瘤。雖然這種療法對一些人來說已經(jīng)挽救了生命,但許多患者對它沒有反應(yīng)。由于內(nèi)皮細(xì)胞對于允許 T 細(xì)胞浸潤腫瘤很重要,并且細(xì)胞代謝對 T 細(xì)胞功能有幫助,因此研究人員認(rèn)為,調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝可以幫助創(chuàng)建更好的免疫治療系統(tǒng)。

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(xì)胞進(jìn)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。”

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