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在單細胞水平上可視化代謝過(guò)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(guò)程

芝加哥大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新的成像和機器學(xué)習技術(shù)使科學(xué)家能夠觀(guān)察細胞分解葡萄糖,這可能會(huì )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(guān)鍵,包括血管疾病和癌癥。

雖然許多技術(shù)可以在數以萬(wàn)計的細胞中測量這些過(guò)程,但研究人員一直無(wú)法在單細胞水平上測量它們。

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(kāi)發(fā)了一種成像和機器學(xué)習相結合的技術(shù),可以首次在細胞和亞細胞水平上測量代謝過(guò)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(gè)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(guò)程。

他們發(fā)現,當這些細胞移動(dòng)和收縮時(shí),它們會(huì )使用更多的葡萄糖,而且他們還發(fā)現細胞通過(guò)一種以前未知的受體吸收葡萄糖。了解這一過(guò)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,發(fā)表在Nature Metabolism上。云芳教授和助理共同領(lǐng)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(xué)研究生 Devin Harrison。

“了解細胞代謝非常重要,”黃說(shuō)。“通過(guò)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(shí)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(yǔ)言和方法,”方說(shuō)。

測量糖酵解

內皮細胞通常在血管內提供一個(gè)緊密的層,但當它們需要免疫系統的幫助時(shí),它們可以收縮,在該層內留下空隙。異常收縮會(huì )導致血管滲漏,導致心臟病發(fā)作或中風(fēng)。肺部周?chē)艿倪@種收縮也會(huì )導致液體滲入,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(lái)促進(jìn)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(chǎn)物。

盡管研究人員沒(méi)有制造傳感器,但通過(guò)將傳感器與機器學(xué)習算法配對,他們創(chuàng )造了一種更強大的技術(shù),使他們能夠對細胞進(jìn)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(guò)新陳代謝對細胞進(jìn)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(shuō)。“這是一項關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng )新。”

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

創(chuàng )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(huì )導致在有益的情況下抑制這一過(guò)程的治療——例如,在動(dòng)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(guò)度、需要幫助彌合肺部周?chē)鷥绕ぜ毎g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(shuō)。

它在治療癌癥方面也具有重要意義。由糖酵解驅動(dòng)的內皮遷移和增殖是參與血管生長(cháng)的主要細胞過(guò)程,這是腫瘤存活和生長(cháng)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(cháng)。

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(lái)對抗腫瘤。雖然這種療法對一些人來(lái)說(shuō)已經(jīng)挽救了生命,但許多患者對它沒(méi)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(chuàng )建更好的免疫治療系統。

研究人員目前正在阿貢國家實(shí)驗室測試此類(lèi)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(guò)新陳代謝對細胞進(jìn)行重編程嗎?” 黃說(shuō)。“這是一個(gè)重要的問(wèn)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(diǎn)。”

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