无标记、高精度！超灵敏瞬态吸收显微成像秒级破译红细胞“糖化密码”

在医学领域，糖尿病的诊断和监测至关重要。糖化血红蛋白（HbA1c）作为反映长期血糖水平的关键指标，对糖尿病管理意义重大。传统的HbA1c 检测方法却存在诸多局限，如需要大量血液样本、操作复杂、无法实现单细胞分辨率等。近年来，瞬态吸收显微成像技术的出现，为解决这些问题带来了新的希望，该技术的突破性进展，已经在实验室中取得了令人瞩目的成果（图1），这篇发表在Science Advances的文章“Label-free quantitation of glycated hemoglobin in single red blood cells by transient absorption microscopy and phasor analysis”揭示了这一机制。

图1 研究成果

HbA1c是血红蛋白与葡萄糖经非酶促糖基化反应的产物，由于红细胞寿命约120天，其浓度可反映过去3个月的平均血糖水平。因此，HbA1c被广泛用于糖尿病的诊断和长期监测，美国糖尿病协会已将其在总血红蛋白中的占比用于糖尿病（HbA1c≥6.5%）和前驱糖尿病（5.7%≤HbA1c≤6.4%）的筛查。

传统检测方法无法在单个红细胞水平检测HbA1c，难以区分其浓度变化是由血糖水平还是红细胞寿命等因素引起。红细胞寿命的个体差异会干扰HbA1c浓度的准确判断，影响诊断结果的准确性。

瞬态吸收显微成像技术：突破传统局限

瞬态吸收显微成像技术是一种先进的光谱成像技术，基于泵浦 - 探测原理，能检测物质激发态的动态变化。研究发现，HbA1c和普通血红蛋白（Hb）在激发态动力学上差异显著。采用飞秒脉冲激光同步泵浦光学参量振荡器fs-OPO，产生1040nm泵浦光，经倍频得到520nm泵浦光、780nm探测光监测，Hb的衰减常数为T1=439fs和T2=3.14ps，HbA1c则为T1=577fs和T2=3.61ps，这表明HbA1c激发态衰减比Hb更慢，这种差异是区分它们的重要基础（图2）。

图2 Hb与HbA1c的瞬态吸收衰减特性对比

时间分辨成像与定量分析：实现精准检测

相较于其他血糖检测方式，利用瞬态吸收的方法展现出诸多优势。传统检测方法如硼酸盐亲和色谱法、毛细管电泳法等，不仅样本处理复杂，需要较大体积血样，且检测特异性欠佳，无法在单细胞水平测量糖化血红蛋白（HbA1c）分数，难以区分血糖和红细胞寿命等因素对检测结果的贡献。而瞬态吸收显微镜技术，基于HbA1c和血红蛋白（Hb）激发态动力学的差异，能够在单细胞层面进行检测，避免了红细胞寿命等因素干扰。通过相量分析对时间分辨衰减曲线进行处理，不依赖分析物浓度和初始参数，可精准量化单个红细胞中的HbA1c分数，有效提高检测的准确性。该技术仅需微升级别的全血样本，且能通过建立数学模型，从HbA1c分数分布推导出过去3个月的长期血糖浓度，不受血糖波动影响，为糖尿病的诊断和长期血糖监测提供了更精准、更有价值的信息。

图3 基于相量分析的HbA1c定量检测

研究人员测量一系列标准HbA1c溶液，将时间分辨曲线转换到相量域，利用基于均值漂移理论的算法找到最聚集的点，绘制出标准校准曲线（图3）。如此，对比未知混合溶液在相量域的位置和校准曲线，就能精准测量单个红细胞中的HbA1c浓度，避免了传统方法因红细胞寿命差异导致的测量误差。

精准诊断：单细胞水平的HbA1c浓度分布

研究人员检测糖尿病患者和健康人的血液样本，通过瞬态吸收显微镜获取图像堆栈，结合校准曲线计算每个红细胞的HbA1c分数，发现两者的HbA1c浓度分布差异显著（图4）；研究人员并且建立了数学模型，将 HbA1c糖化过程模拟为不可逆的一级化学反应，可把HbA1c浓度分布转化为过去3个月的平均血糖浓度。与传统基于平均HbA1c浓度的诊断方法相比，单细胞水平的检测能更准确反映个体血糖控制情况，有助于早期发现病情变化，为精准医疗提供有力支持。

图4 糖尿病与健康全血中HbA1c的单细胞水平分布差异

瞬态吸收显微成像技术在检测HbA1c方面优势突出，为糖尿病诊断和监测带来新的突破。未来，随着技术的进一步发展，它有望在生物医学的更多领域发挥重要作用，助力科学家探索微观世界，推动人类健康事业的发展。

参考文献：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.aav0561