相干拉曼技术：解码药物摄取与细胞反应研究的微观密码

在生物学研究与药物筛选中，细胞培养至关重要。传统2D单层细胞培养因操作简便低成本被广泛使用，但难以呈现体内肿瘤药物治疗的真实反应；3D细胞培养如立体模型，环境更复杂且有代表性，细胞生长动态似实体肿瘤，不过其细胞耐药性高，分子机制尚待明晰。在细胞研究领域，深入理解药物在二维(2D)和三维(3D)细胞环境中的摄取和反应差异对于药物研发和治疗效果评估至关重要。

相干拉曼技术对于2D和3D微环境的测定作用

华盛顿大学Dan Fu研究团队在Analytical Chemistry发表了题为“Assessing Drug Uptake and Response Differences in 2D and 3D Cellular Environments Using Stimulated Raman Scattering Microscopy”的研究成果。该论文提出了一种无创三波段相干拉曼散射成像技术(SRS)，该方法整合了2D和3D微环境中活细胞的药物摄取和细胞反应的测量，为创新性地测定2D和3D细胞环境间药物摄取及反应差异提供了极具价值的工具，有力推动了研究进展。

研究成果

研究人员使用三波段相干拉曼散射成像技术成像系统对2D培养的A549细胞展开研究。用不同浓度拉帕替尼处理细胞24小时后，采集指纹区、C-D区和C-H区的SRS图像，从而精准量化单细胞药物摄取。同时，对细胞用d-LIV（氘代的 L-亮氨酸-d10、L-异亮氨酸-d10 和 L-缬氨酸-d8）标记6小时，再在C-D区和C-H区成像，成功测量单细胞生长速率。这一系列操作让我们得以全面了解药物对2D细胞的作用效果。

相干拉曼技术拍摄了3D球状体中lapatinib的药物分布和细胞生长率

对于3D细胞，先将A549细胞培养成球状体，经拉帕替尼（酪氨酸激酶抑制剂（TKI），可作用于表皮生长因子受体（EGFR）和人表皮生长因子受体 2（HER2））处理后，利用三波段相干拉曼散射成像技术成像：以10µM拉帕替尼处理的球状体为研究对象，比较不同层的药物摄取和响应，借助药物/C-H比率SRS图像，清晰地可视化药物在球状体中的积累和定位，深入探究了药物在3D球状体中的扩散及对细胞响应的影响。研究人员还使用Matrigel培养3D球状体，处理后通过SRS成像对比支架基和无支架3D球状体的拉帕替尼摄取、生长速率和归一化生长速率，有效探索了细胞外基质对药物输送和穿透的影响。

相干拉曼技术拍摄了3D球状体在Matrigel中培养时lapatinib药物吸收的情况

相干拉曼散射成像技术(SRS)关键优势

1、解决药物摄取量化难题

现有技术在直接测量3D环境中细胞内药物浓度时存在诸多限制，而SRS显微镜脱颖而出。它通过对2D和3D细胞在药物处理后的成像，成功测量单细胞或单球状体的药物摄取，克服了生化测定和质谱成像的不足。生化测定可能忽视单细胞药物摄取的变异性，质谱成像则面临样本制备复杂的问题，SRS技术有效解决了这些难题，实现了更精准的药物摄取量化。

2、测量生长速率与反应关联

SRS技术能够测量单细胞生长速率，以d-LIV标记细胞，在C-D区和C-H区成像并计算比率作为生长速率测量指标。这一方法为研究药物对细胞生长的影响提供了有效手段，填补了在复杂3D培养模型中难以确定细胞内药物暴露与细胞反应抑制相关性的空白，使我们能更好地理解药物与细胞生长之间的关系。

3、揭示细胞环境差异影响

应用三波段SRS成像方法，研究发现尽管2D和3D A549细胞在拉帕替尼处理时细胞内药物水平相近，但3D球状体生长受影响较小，揭示了3D微环境中药物耐受性增强的现象。此外，还深入研究了药物穿透模式、细胞外基质对药物输送和细胞反应的影响等。这些成果为理解3D肿瘤模型中药物耐药性的复杂机制提供了重要信息，有助于开发更有效的治疗策略。

综上所述，相干拉曼散射成像技术在本研究中的应用为药物在2D和3D细胞环境中的研究提供了新的视角和方法，具有重要的科学意义和应用价值。

文献来源：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c02592