Imagistica vibrațională a celulelor vii a metaboliților colinei prin împrăștierea Raman stimulată împreună cu
Fanghao Hu
un Departament de Chimie, Columbia University, 3000 Broadway, New York, NY, SUA.
Lu Wei
un Departament de Chimie, Columbia University, 3000 Broadway, New York, NY, SUA.
Chaogu Zheng
b Departamentul de Științe Biologice, Universitatea Columbia, New York, NY, SUA.
Yihui Shen
un Departament de Chimie, Columbia University, 3000 Broadway, New York, NY, SUA.
Wei Min
un Departament de Chimie, Columbia University, 3000 Broadway, New York, NY, SUA.
c Institutul Kavli pentru Știința Creierului, Universitatea Columbia, New York, NY, SUA.
Date asociate
Abstract
Introducere
Metabolismul colinei îndeplinește roluri critice în funcția biologică a tuturor organismelor vii. Este implicat în diferite procese vitale, cum ar fi formarea membranei celulare, semnalizarea, transportul lipidelor, sinteza neurotransmițătorului acetilcolină și reacția de transfer a metilului. 1 Metaboliții importanți care conțin colină includ fosfocolina cu molecule mici (PC), glicerofosfocolina (GPC), fosfatidilcolina legată de lipide (PtC) și sfingomielina (SM).
Aici raportăm imagistica in vivo neinvazivă a metaboliților care conțin colină cu rezoluție subcelulară prin microscopie stimulată de împrăștiere Raman (SRS) (Figura 1a), prin încorporarea metabolică a colinei deuterate (trimetil-D9). Odată preluată de celule, colina este metabolizată în principal prin calea Kennedy în molecule mici PC, GPC și fosfolipide de colină legate de membrană (Figura 1b). Metabolismul activat al colinei în tumoră și consumul ridicat de colină în timpul dezvoltării prenatale vor duce la absorbția activă a colinei D9 încorporate în rezerva totală de metaboliți ai colinei într-un echilibru dinamic, care servește ca biomarker distinct pentru cancer, funcția neuronală și dezvoltarea embrionară.
Imagistica de împrăștiere Raman stimulată (SRS) a metaboliților colinei prin încorporarea metabolică a colinei deuterizate D9. (a) Configurarea microscopului SRS. Suprapunerile spațiale și temporale Stokes și grinzile pompei duc la activarea vibrațională selectivă în cadrul probei în condiții rezonante. (b) Incorporarea colinei D9 în bazinul celular de metaboliți ai colinei servește ca biomarker metabolic în progresia tumorii, funcția creierului și dezvoltarea embrionară. (c) Diagrama energetică împreună cu spectrele laser de intrare și ieșire ale SRS.
rezultate si discutii
Spectre Raman spontane ale celulelor HeLa suplimentate cu (negru) și fără (albastru) D9-colină și 100 mM D9-colină (roșu) în soluție salină tamponată cu fosfat (PBS). Vârful de 2188 cm -1 din regiunea Raman silențioasă este aleasă pentru imagistica SRS.
Imagistica cu celule vii a metaboliților D9-colină este demonstrată mai întâi cu SRS în linia celulară HeLa a cancerului de col uterin uman. Într-adevăr, spectrul Raman spontan al celulelor HeLa suplimentat cu 10 mM D9-colină timp de 48 de ore prezintă același model de vârfuri Raman în regiunea silențioasă celulară ca și pentru D9-colină în soluția PBS (Figura 2), verificând absorbția celulară a D9-colină. Pe baza intensității Raman (Figura 2, spectrele negre și roșii), se estimează că metaboliții medii intracelulari care conțin colină D9 sunt
Imagini SRS ale metaboliților care conțin colină D9 în diferite linii celulare de cancer (a - c) și embrionare (d - e). (a) Imagine de 2188 cm -1 a metaboliților D9-colină (colină) pe celule HeLa vii cultivate cu 10 mM D9-colină timp de 48 de ore. Semnalul puternic este văzut la regiunile din jurul nucleului (indicate prin săgeți), cum ar fi reticulul endoplasmatic. (b) 2188 cm -1 imagine colină pe celule HeLa vii cultivate în mediu fără colină D9. (c - e) 2188 cm −1 imagini colină pe celule U2OS de osteosarcom uman os viu (c), celule HEK293T renale embrionare umane vii (d) și celule NIH3T3 fibroblaste embrionare vii de șoarece (e) cultivate cu 5 sau 10 mM D9-colină timp de 48 de ore. Imaginile de 1655 cm -1 (amida I din proteine) și imaginile de 1900 cm -1 (colină-off) afișează același set de celule ca în imaginile colină-pe. Canalele colină-pornire și colină-oprire sunt reprezentate în condiții experimentale identice. Scara de culoare din canalul amidă este de 3 ori mai mare decât alte canale. Barele de culoare din canalele colinei corespund unui interval de concentrație D9-colină de la 0 la cel mai întunecat la 78,7 mM la cel mai strălucitor. Bara de scalare: 10 µm.