REDCAT全光学多模态平台：在组织原位实现单细胞代谢状态与细胞身份的联合解析

细胞代谢是增殖、分化、免疫应答等生命活动的基础，代谢模式同时受细胞自身状态与组织微环境调控。要解析生理与疾病机制，就需要在组织原位的单细胞层面同时回答三个问题：这个细胞是什么类型、位于何处、在取样那一刻处于怎样的化学与代谢状态。

当前主流空间组学技术存在局限：

当前主流空间组学技术存在明显局限，它们能可靠识别细胞类型，但代谢特征只能从基因和蛋白表达间接推断，无法直接测量细胞里真实的化学成分与氧化还原状态。而能直接测代谢的手段（如质谱成像）又往往破坏样本，难以与细胞身份精确对应。想在同一张切片上把"它是谁""它在哪里""它正在怎样代谢"连起来，一直是空间代谢研究的难题。

针对这一瓶颈，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）石玲燕Lingyan Shi团队牵头，联合耶鲁大学Rong Fan、Mina L. Xu、Zongming Ma团队，以及宾夕法尼亚大学、哥伦比亚大学的合作者，开发出组织细胞图谱拉曼增强描绘方法（Raman Enhanced Delineation of Cell Atlases in Tissues，REDCAT）。REDCAT 将受激拉曼散射（SRS）化学成像、双光子激发荧光（TPEF）、二次谐波生成（SHG）以及基于CODEX的多重免疫荧光细胞分型。在约10微米厚的新鲜冷冻或FFPE组织切片上，完成无标记多模态光学采集。

• 受激拉曼散射SRS：获取蛋白与脂质信号，并通过高光谱采集C-H伸缩区（约2800-3100cm-1）的完整光谱解析化学指纹，进而导出两个核心代谢指标——脂质/蛋白比、不饱和/饱和脂质比，分别反映脂质积累程度与脂质重塑程度，并可细化到亚细胞水平。

• 双光子激发荧光TPEF：读取NAD(P)H与FAD/FMN的自发荧光，以NADH/FAD比值表征细胞的氧化还原状态。

• 二次谐波生成SHG：无标记显示胶原纤维，呈现细胞外基质微环境结构。完成光学代谢成像后，团队在同一张切片上继续开展CODEX高多重免疫荧光检测与H&E染色，获取细胞表型信息。再经图像配准与细胞分割，用MaxFuse算法完成跨模态单细胞数据整合，在单细胞水平把细胞身份与代谢特征一一对应。

图1. REDCAT 技术的设计原理与工作流程：在同一组织切片上实现代谢组与蛋白质组联合分析

核心实验结果：多种人体组织验证技术能力

研究团队选取正常淋巴结、Richter转化淋巴瘤（同一份活检中同时存在CLL与DLBCL）、正常人肝脏三类样本开展系统验证。

实验结果显示，该多模态成像技术可在单张组织样本上同时获取细胞类型与代谢特征参数，完成单细胞水平的空间关联以及代谢异质性分析，充分展现多模态原位成像在组织生物学研究中的独特优势。

正常淋巴结：解析免疫细胞亚型的特异性代谢程序

利用SRS获取脂质与脂质不饱和度信息、TPEF获取氧化还原信息，结合CODEX完成细胞分型，团队在单细胞尺度上把细胞身份与代谢信号精确配准。

结果发现：细胞类型并不能完全决定代谢表型。同样位于生发中心的B细胞，暗区群体NADH/FAD比值与脂质不饱和度更低、整体更偏氧化状态，与其快速增殖、体细胞高频突变的功能需求一致。光区群体则呈现更还原的氧化还原状态、更活跃的不饱和脂质重塑。特定微区的滤泡辅助性T细胞与髓系细胞也表现出较高的NADH/FAD比值。这说明组织结构不是代谢图谱的背景板，而是解释细胞状态不可或缺的一环。

图2. 基于 REDCAT 技术实现人淋巴结组织的代谢‑细胞类型联合谱分析

淋巴瘤组织：捕捉肿瘤转化过程中的代谢重编程与过渡状态

在一例Richter转化样本中，同一份活检组织内同时存在惰性（CLL）与侵袭性（DLBCL）两个肿瘤群体。利用SRS获取脂滴分布与脂质不饱和度、TPEF获取氧化还原定量信息，团队在原位区分出代谢表型不同的肿瘤亚群，并观察到与转化过程相关的代谢重编程：总脂质、不饱和脂质与NADH/FAD比值整体升高，同时存在一群代谢特征介于两者之间的细胞。需要说明的是，这是基于空间共存的推定过渡状态，反映的是转化过程中的代谢轨迹，而非对同一细胞转化过程的连续。

图3. 利用 REDCAT 开展淋巴瘤的空间代谢与表型谱解析

人肝脏组织：解析肝小叶分区依赖的空间代谢梯度

在正常人肝脏组织中，团队以ASS1（zone 1）、Cyp3A4（zone 2）、Glul/GS（zone 3）等分区标志物把细胞映射回肝小叶的解剖结构，发现脂滴与NADH/FAD比值呈明显的分区梯度：zone1显著低于近中央静脉区域，脂滴主要富集于zone 2。高光谱SRS进一步显示，不同细胞类型的脂滴化学成分各不相同，肝细胞脂滴谱还随所处分区而变化。细胞核的拉曼光谱也沿中央静脉呈现距离依赖的梯度变化。

图4. 基于REDCAT技术解析肝脏分区的空间代谢与表型图谱

REDCAT研究印证了多模态融合成像在组织原位单细胞代谢解析中的重要价值：将无标记光学代谢信号与细胞分型信息配准融合，建立细胞身份、空间位置与代谢活性的关联，为解析生理及疾病代谢机制开辟了全新实验路径。

振电科技UltraView MK‑III多模态非线性光学显微成像系统，原生搭载SRS、TPEF、SHG三大核心成像模块，承担该科研范式中的无标记代谢成像采集。凭借高光谱化学分辨、亚微米分辨率与超大视野成像优势，系统可直接采集组织脂质、蛋白、氧化还原、胶原基质多维分子信息，高效产出高质量成像数据，助力科研人员快速推进空间代谢、肿瘤免疫代谢等前沿课题研究。

参考文献：

Li, Y., Zhang, Z., Enninful, A. et al. All-optical multimodal mapping of single-cell-type-specific metabolic activities via REDCAT. Nat Methods (2026). DOI：https://doi.org/10.1038/s41592-026-03180-0