相干拉曼成像引领代谢研究新范式

在癌症研究领域，癌细胞如何从原发部位转移到身体其他部位，一直是科学家们试图攻克的关键问题。上皮-间质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition，EMT)在癌症转移中起着关键作用，在这个过程中，癌细胞会失去上皮细胞的特征，获得间质细胞的特性，从而具备更强的迁移和侵袭能力。

脂肪酸是细胞的重要组成部分，也是癌细胞生长和转移的关键“燃料”。硬脂酰辅酶A去饱和酶(Stearoyl-CoA Desaturase，SCD)和脂肪酸去饱和酶2(Fatty Acid Desaturase 2，FADS2)是两种关键的脂肪酸去饱和酶，它们能够改变脂肪酸的结构，从而影响细胞膜的流动性和信号传导。在癌症的发展过程中，这两种酶的表达水平和活性会发生变化，但它们之间的相互关系以及在EMT和转移中的具体作用机制尚不完全清楚。

近日，广州医科大学附属第三医院陈志聪助理研究员、波士顿大学Ji-Xin Cheng教授、北京大学周利群教授领衔的联合研究团队共同在Cancer Communications发表了一篇题为“Orchestrated desaturation reprogramming from stearoyl-CoA desaturase to fatty acid desaturase 2 in cancer epithelial-mesenchymal transition and metastasis”的论文（图1），通过整合多种研究方法，深入探讨了SCD和 FADS2在癌症EMT和转移中的作用，其中相干拉曼技术(SRS)发挥了重要作用。

图1 研究成果

研究人员首先利用生物信息学分析多个癌症队列，发现SCD和FADS2的表达存在正相关，且在癌症进展过程中，存在从依赖SCD去饱和化到依赖FADS2去饱和化的重编程现象。在临床样本中，FADS2高表达、SCD低表达的患者，其EMT相关基因集富集，EMT评分更高，与更差的预后相关。在细胞实验中，通过调节FADS2和SCD的表达，研究人员发现这种去饱和化重编程能够影响癌细胞的迁移、侵袭能力和膜流动性。进一步研究揭示，FADS2与 β-连环蛋白(β-catenin)存在自我强化的反馈回路，促进EMT过程；SCD抑制则通过激活 腺苷酸激活蛋白激酶(Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase，AMPK)增强EMT可塑性和脂肪酸(Fatty Acid，FA)摄取。

在这项研究中，相干拉曼散射(SRS)技术起到了不可或缺的作用。在探究癌细胞内脂质重编程时，传统技术难以直接观察和分析细胞内脂质的动态变化和组成。SRS技术能够实现对细胞内组分的无标记成像。

图2 该图展示了 SRS 技术在研究癌症上皮 - 间质转化（EMT）过程中癌细胞内脂质变化的应用

此图运用SRS技术研究癌症EMT时癌细胞内脂质变化。A - B呈现单细胞脂质分析流程及T24细胞图像；C-D显示间质癌细胞脂质面积更大；E-F展示TGF-β1处理及FADS2过表达对SW780细胞脂质的影响；G-H为 SCD抑制剂处理后相关细胞脂质面积变化；I-L表明间质癌细胞脂质不饱和键比例更高，FADS2可调节脂质不饱和度；M-N证实间质样肿瘤细胞脂滴和磷脂不饱和度高；O为不同细胞不同C=C数磷脂百分比变化；P-R显示 SCD抑制后SW780细胞甘油三酯和部分磷脂变化。比例尺：10μm。

脂质成像与定量：通过在C-H振动区域(2800-3050cm^-1)进行相干拉曼光谱扫描，依据光谱特性将高光谱SRS图像分割为对应整个细胞和脂质的特定细胞成分，从而实现对细胞内脂质面积的可视化和量化。研究发现间质癌细胞的脂质面积比上皮癌细胞大，且TGF-β1处理会进一步增加间质状态下的脂质积累，表明脂质积累在EMT过程中增强。SCD抑制剂显著增强了两种上皮癌细胞系的脂质积累，并诱导其呈现间质样形态。然而，FADS2过表达和敲低并没有显著改变脂质积累情况(图2 A-H)，这为脂质重编程提供了直观证据。

评估脂质不饱和程度：对SRS光谱进行归一化处理，分析脂质的不饱和程度。间质癌细胞的脂质在 3008cm^-1处信号更强，不饱和比(I3008/I2930)显著更大，FADS2抑制会降低不饱和比，而FADS2过表达和TGF-β1处理则会增加不饱和比，说明间质癌细胞含有更多FADS2生成的不饱和脂质（图2 I-L）。

研究脂肪酸摄取：为了直观观察和评估上皮癌细胞和间质癌细胞对脂肪酸的摄取情况，研究人员对氘代脂肪酸进行了SRS成像。通过标记氘代棕榈酸(PA-D31)，利用SRS成像检测C-D振动信号(2100-2200cm^-1)，研究人员可以直观地看到间质癌细胞对脂肪酸的摄取能力增强，这揭示了癌症EMT过程中脂肪酸获取方式的转变。

本次研究中，SRS技术发挥了关键作用，助力揭示了癌症上皮-间质转化(EMT)和转移过程中从硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)到脂肪酸去饱和酶2(FADS2)的去饱和化重编程机制，为理解癌症代谢提供了全新视角，成功攻克了细胞内脂质和脂肪酸摄取研究中的关键技术难题，实现了高分辨率的单细胞水平分析。这一成果意义重大，不仅加深了我们对癌症转移机制的认知，更为开发新型癌症治疗策略提供了潜在靶点，有力推动了癌症治疗领域的发展。展望未来，随着技术的持续进步，SRS技术有望在癌症研究中发挥更为重要的作用，为攻克癌症这一重大疾病贡献更多力量。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cac2.12644