相干拉曼技术突破：解析低氧癌细胞脂质代谢密码

本文核心技术亮点：利用相干拉曼光谱显微镜实现了对低氧环境下胰腺癌细胞脂质代谢变化的实时、无标记、高分辨率成像。通过该技术，团队不仅观察到脂滴（LD）在内质网中的积累及其动态变化，还揭示了低氧条件下脂滴成分（如胆固醇酯含量和脂质饱和度）的显著改变，为理解乏氧癌细胞的代谢适应性提供了重要见解，并为开发针对乏氧耐受癌细胞的治疗策略提供了新方向。

在癌症研究中，低氧环境（缺氧）是许多实体肿瘤的常见特征。由于肿瘤细胞的快速增殖，肿瘤内部的血管往往无法满足细胞对氧气的需求，从而导致低氧微环境的形成。这种低氧环境会促使癌细胞发生代谢重编程，使其更具侵袭性和耐药性。近年来，科学家们逐渐意识到，除了糖代谢的变化，脂质代谢在低氧环境下的改变也对癌细胞的生存和转移有着重要影响。

(a) Epi-CARS成像系统结合显微镜平台细胞培养器（stage-top incubator），可精确控制细胞环境中的氧含量，实现对同一视场下细胞的长时间连续观测。(b) 利用该系统，展示了MIA PaCa2细胞在缺氧环境下脂滴（LD）的动态变化，观测持续31小时，细胞和内质网分别用黄色和蓝色线标记，清晰呈现了脂滴在缺氧条件下的释放与重新积累过程。(c) 缺氧条件下，脂滴（LD）在细胞内和外质网（ER）中的数量变化，显示了LD在缺氧初期从ER释放，随后在24小时后重新积累。(d) 缺氧条件下，脂滴（LD）在细胞内和外质网中的总面积变化，表明缺氧条件下LD在ER内的积累显著增加，而细胞质中的LD面积减少。比例尺：10μm。

相干拉曼光谱显微镜解决的技术难题

在研究低氧环境下癌细胞脂质代谢变化时，传统的生物化学方法和常规显微镜技术存在诸多局限性。例如，生化方法无法提供细胞内脂滴（LD）的空间分布信息，而常规显微镜技术则难以对活细胞进行长时间、高分辨率的动态观察。此外，低氧环境下的细胞培养和成像需要精确控制氧气浓度，这对实验设备提出了更高的要求。

普渡大学张驰教授团队利用相干拉曼光谱显微镜技术，成功解决了这些难题。相干拉曼显微镜包括相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）和受激拉曼散射（SRS）两种模式，能够通过拉曼散射信号对细胞内的脂滴进行高分辨率成像，无需使用荧光染料或其他标记物。这种技术不仅可以实时观察活细胞内的脂滴动态变化，还能在低氧环境下对细胞进行长时间（长达72小时）的连续监测。

研究发现及突破

01 脂滴在内质网中的积累

研究发现，在低氧条件下，胰腺癌细胞（MIA PaCa2）中的脂滴（LD）在内质网中显著积累。这一现象表明，低氧环境可能影响了脂滴的合成和运输过程。通过延时相干拉曼显微镜观察，研究人员发现脂滴在低氧暴露初期从内质网释放，随后又重新积累。这一动态变化揭示了低氧环境下脂滴代谢的独特机制。

02 脂肪酸在脂滴形成中的关键作用

研究还发现，脂肪酸的摄取对于脂滴的形成至关重要。在低氧条件下，MIA PaCa2细胞更倾向于通过脂肪酸摄取来形成脂滴，而不是依赖葡萄糖代谢。这一发现为理解癌细胞在低氧环境下的代谢适应性提供了重要线索。

03 胆固醇酯含量和脂滴饱和度的变化

高光谱受激拉曼散射（SRS）显微镜结果显示，低氧条件下，脂滴中的胆固醇酯含量降低，脂质饱和度也有所下降。这一变化与针对胆固醇酯形成的靶向治疗效果降低有关。研究表明，低氧环境下，胆固醇酯的减少可能使癌细胞对某些靶向药物产生耐药性。

04 技术突破与应用前景

该研究不仅揭示了低氧环境下癌细胞脂质代谢的变化，还展示了相干拉曼显微镜在癌症研究中的巨大潜力。通过结合epi-CARS技术和集成显微镜平台细胞培养器，研究人员能够在低氧环境下对活细胞进行长时间、高分辨率的动态观察。这种技术突破为未来研究癌细胞在不同微环境下的代谢变化提供了新的工具和方法。

普渡大学张驰教授团队的研究揭示了低氧环境下胰腺癌细胞中脂质代谢的重要变化，为开发针对低氧抗性癌细胞的更有效治疗策略提供了新的见解。未来的研究将进一步探索不同氧气浓度对癌细胞脂滴的影响，并利用三维细胞培养模型深入研究脂滴在肿瘤微环境中的作用。

参考文献：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cbmi.4c00050?utm_source=wechat&utm_medium=social&utm_campaign=IC001_ST0001R_T006083_0125_HXL_2025_WeChat_Highlight_Article_&src=IC001_ST0001R_T006083_0125_HXL_2025_WeChat_Highlight_Article_