大咖講堂 - 相干拉曼散射顯微術(shù) Ⅱ

2020-07-08 10:28:42 奧林巴斯顯微鏡
奧林巴斯顯微鏡
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上節(jié)我們講到——相干拉曼散射（CRS）顯微術(shù)是一種基于分子化學(xué)鍵振動(dòng)的成像手段。相比于熒光光譜，拉曼光譜具有窄得多的譜峰寬度（圖 1），可以選擇探測(cè)的分子種類將更多，特異性也更高。例如，生物組織中的蛋白、脂質(zhì)和核酸等具有各自的拉曼光譜特征，利用 CRS 可以在無需染色/標(biāo)記的前提下對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分成像。
”


但脫離應(yīng)用的理論就像浩渺星海中失去坐標(biāo)的飛船，空得一身高強(qiáng)本領(lǐng)卻無處發(fā)揮。因此，秉承上節(jié)所述的相干拉曼顯微術(shù)的基本原理，本小節(jié)將圍繞快速病理檢測(cè)、生物代謝和藥物運(yùn)輸三個(gè)典型方面詳細(xì)展開免標(biāo)記相干拉曼顯微術(shù)的應(yīng)用，為這艘“神州飛船”的前行指引明燈。
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▲圖 1. 常見生物組分和分子的拉曼光譜



快速病理檢測(cè)：

病理檢測(cè)是疾病診斷的金標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的病理檢測(cè)方法需要經(jīng)過活檢（或手術(shù)）取樣、固定、切片、染色等一系列繁雜過程，往往耗時(shí)幾天，無法實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)診斷。術(shù)中冰凍往往也至少需要半個(gè)小時(shí)，而且診斷準(zhǔn)確率不高。基于生物組織內(nèi)源性光學(xué)信號(hào)的成像方法有望快速提供組織病理學(xué)信息，輔助術(shù)中診斷。
2013 年，季敏標(biāo)教授在哈佛大學(xué)謝曉亮教授課題組學(xué)習(xí)期間利用 SRS 顯微鏡實(shí)現(xiàn)了在腦膠質(zhì)瘤小鼠模型活體中原位實(shí)時(shí)地探測(cè)腫瘤邊界[1]，之后在離體人腦腫瘤手術(shù)標(biāo)本中實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記病理診斷[2]。歸國后，季教授課題組在復(fù)旦大學(xué)搭建了結(jié)合了 SRS、SHG 和 TPEF 的多模態(tài)非線性光學(xué)成像系統(tǒng)，可同時(shí)獲取脂質(zhì)、蛋白、膠原纖維三個(gè)通道的圖像。在近期一篇文章中，季教授不僅在喉癌組織切片層面展示了 SRS 和傳統(tǒng)病理 HE 染色的高度一致性（圖 2），并且通過對(duì)喉癌術(shù)中新鮮組織的成像，累計(jì)了數(shù)萬份圖像數(shù)據(jù)，最后基于搭建的 34 層殘差卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ResNet34）進(jìn)行圖像訓(xùn)練識(shí)別，獲得了近乎 100%準(zhǔn)確率的腫瘤與正常組織的鑒別效果[3] 。


由于 SRS 繼承了自發(fā)拉曼的光譜特性，使其能夠在高光譜掃描時(shí)得到重要的譜學(xué)信息。在對(duì)阿爾茲海默（AD）研究的過程中[4] ，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤折疊的淀粉樣蛋白會(huì)因?yàn)?β-sheet 的富集而導(dǎo)致 amide I 的拉曼峰藍(lán)移（峰位從 1658 cm-1變?yōu)?1670 cm-1）；并且通過對(duì)新鮮 AD 鼠腦組織成像，觀察到了每個(gè) Aβ 斑塊的周圍都會(huì)有一圈“Halo”的特殊構(gòu)象（圖 3），這是熒光研究（只能對(duì)確定物質(zhì)進(jìn)行特異性染色）所難以發(fā)現(xiàn)的，充分體現(xiàn)了 SRS 在病理學(xué)檢測(cè)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
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▲圖 2. SRS 與 HE 圖像的一致性對(duì)比（綠：脂質(zhì)；藍(lán)：蛋白質(zhì)；紅：膠原纖維）[3]


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▲圖 3. 新鮮 AD 鼠腦的 SRS 光譜圖像以及斑塊、正常組織的光譜差異 [4]。（a-c）指紋區(qū)的光譜圖像，綠：脂質(zhì)；藍(lán)：正常蛋白質(zhì)；洋紅：淀粉樣蛋白斑塊。（d-f）C-H 伸縮振動(dòng)區(qū)的光譜圖像，綠：脂質(zhì)；洋紅：總蛋白質(zhì)。(g-h)不同組織區(qū)域的 SRS 光譜



生物代謝：

以高時(shí)空分辨率直接觀察活體動(dòng)物的代謝動(dòng)力學(xué)對(duì)理解許多生物學(xué)過程至關(guān)重要。脂類分子是重要的生命組成物質(zhì)，但定量地觀察其空間分布一直是一個(gè)難題。使用熒光基團(tuán)時(shí)，有可能產(chǎn)生假象，做出的判斷有偏差。相比之下，SRS 可以對(duì)分子直接可視化，得到的結(jié)果具有普遍意義。

2018 年，哥倫比亞大學(xué)閔瑋教授課題組發(fā)展了將重水（D2O）代謝與受激拉曼散射（DO-SRS）顯微技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，用于原位代謝觀測(cè)[5] 。在生物代謝過程中，經(jīng)過酶的催化合成，D2O 中的氘原子會(huì)被自動(dòng)整合到有機(jī)分子中，形成同位素標(biāo)記的 C-D 鍵。因此，基于對(duì)新合成有機(jī)分子中 C-D 鍵的成像，就可以實(shí)現(xiàn)生物代謝的追蹤觀測(cè)（視頻 1）。目前，在 C-D 鍵的廣泛振動(dòng)光譜中，他們發(fā)現(xiàn)了脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的特異性拉曼位移，并開發(fā)了光譜解調(diào)方法來獲得具有大分子選擇性的 C-D 信號(hào)，做到了在動(dòng)物模型中脂質(zhì)、蛋白甚至糖類的代謝測(cè)量[6][7]。 

 

▲視頻 1.秀麗隱桿線蟲的脂質(zhì) SRS 實(shí)時(shí)成像（左：原本存在的脂質(zhì)；右：利用 D2O 新合成氘代脂質(zhì)）[5]



藥物運(yùn)輸：

在醫(yī)藥學(xué)中，藥物的運(yùn)輸是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)之一，準(zhǔn)確地運(yùn)輸過程及定位，是藥物分子能實(shí)現(xiàn)特定生理功能的重要保障。制作小分子藥物的熒光標(biāo)簽并非容易之事，常用的熒光標(biāo)簽往往比藥物分子大很多，這會(huì)影響他們的運(yùn)輸特性；因此，利用傳統(tǒng)熒光標(biāo)記方法追蹤小分子藥物面臨很多挑戰(zhàn)。而很多藥物分子本身具有特殊的化學(xué)鍵振動(dòng)（圖 4），因此，利用 SRS 可以對(duì)該藥物進(jìn)行很好的特異性成像，加之 SRS 不需要對(duì)樣品固定、染色等操作，最大程度上保持了生物體樣品的活性，可以實(shí)現(xiàn)系列活體動(dòng)態(tài)捕捉。

2014 年，閔瑋教授將療霉舒乳膏涂抹于小鼠耳朵部位，通過對(duì)藥膏中鹽酸特比萘芬分子的炔基進(jìn)行特異性成像，結(jié)合脂質(zhì)和蛋白通道的共定位，發(fā)現(xiàn)了該藥物是通過皮膚中脂質(zhì)進(jìn)行滲透的[8]（圖 5）。


同年，謝曉亮教授課題組報(bào)道了利用高光譜受激拉曼散射（hsSRS）成像技術(shù)對(duì)兩種酪氨酸激酶抑制劑（TKI）藥物（伊馬替尼和尼洛替尼）在活細(xì)胞內(nèi)的免標(biāo)記成像以及定量分析[9] 。他們發(fā)現(xiàn)，由于這兩種藥物具有溶酶體的親溶性，它們?cè)谌苊阁w中的濃度都增加了 1000 倍以上。當(dāng)同時(shí)使用氯喹時(shí)，伊馬替尼的溶酶體捕獲減少了十倍以上，這表明氯喹除了常見的自噬抑制機(jī)制外，還可能通過溶酶體介導(dǎo)的藥物相互作用提高 TKIs 的療效。
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▲圖 4. 藥物分子的結(jié)構(gòu)式及其拉曼光譜 [9]


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▲圖 5.局部應(yīng)用鹽酸特比萘芬對(duì)小鼠耳部皮膚的 SRS 成像（2230cm-1：鹽酸特比萘芬；1655cm-1：蛋白質(zhì)；脂質(zhì) 2845cm-1：脂質(zhì)）[8]



下一節(jié)我們還將聚焦 CRS 發(fā)展前沿，介紹 CRS 技術(shù)的最新進(jìn)展。



參考文獻(xiàn)：

1.Ji, M. et al. Rapid, label-free detection of brain tumors with stimulated Raman scattering microscopy. Sci Transl Med 5, 201ra119,

doi:10.1126/scitranslmed.3005954 (2013)


2.Ji, M. et al. Detection of human brain tumor infiltration with quantitative stimulated Raman scattering microscopy. Sci Transl Med 7, 309ra163, 

doi:10.1126/scitranslmed.aab0195 (2015).


3.Zhang, L. et al. Rapid histology of laryngeal squamous cell carcinoma with deep-learning based stimulated Raman scattering microscopy. Theranostics 9, 2541-2554, 

doi:10.7150/thno.32655 (2019).


4.Ji, M. et al. Label-free imaging of amyloid plaques in Alzheimer's disease with stimulated Raman scattering microscopy. Sci Adv 4, eaat7715, 

doi:10.1126/sciadv.aat7715 (2018).


5.Shi, L. et al. Optical imaging of metabolic dynamics in animals. Nature Communications 9, 2995, 

doi:10.1038/s41467-018-05401-3 (2018)


6.Zhang, L. et al. Spectral tracing of deuterium for imaging glucose metabolism. Nat Biomed Eng 3, 402-413, 

doi:10.1038/s41551-019-0393-4 (2019).


7.Shen, Y. et al. Metabolic activity induces membrane phase separation in endoplasmic reticulum. Proc Natl Acad Sci U S A 114, 13394-13399,

doi:10.1073/pnas.1712555114 (2017).


8.Wei, L. et al. Live-cell imaging of alkyne-tagged small biomolecules by stimulated Raman scattering. Nat Methods 11, 410-412, 

doi:10.1038/nmeth.2878 (2014).


9.Fu, D. et al. Imaging the intracellular distribution of tyrosine kinase inhibitors in living cells with quantitative hyperspectral stimulated Raman scattering. Nat Chem 6, 614-622,

doi:10.1038/nchem.1961 (2014).

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作者簡介

季敏標(biāo)，男，1982 年出生于浙江省臺(tái)州市。2001 年獲北京大學(xué)物理系學(xué)士；2011 年獲美國斯坦福大學(xué)物理系博士學(xué)位，研究方向?yàn)榉蔷€性光學(xué)和超快分子動(dòng)力學(xué)；之后在哈佛大學(xué)謝曉亮組里從事博士后研究（2011-2014），發(fā)展相干拉曼成像技術(shù)并將其應(yīng)用到腫瘤的無標(biāo)記探測(cè)。2014 年入職復(fù)旦大學(xué)物理系擔(dān)任研究員和博士生導(dǎo)師。2015 年入選中組部“千人計(jì)劃”（青年組）和上海市“青年科技啟明星計(jì)劃”。


季教授的研究方向集中在非線性光譜學(xué)在物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用，研究課題包括利用新型光譜顯微成像技術(shù)研究生物醫(yī)學(xué)問題，以及新材料的光電子特性研究等。迄今發(fā)表 SCI 論文 50 余篇，包括 Science, Science Translational Medicine, Science Advances, PNAS 等。并承擔(dān)科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“數(shù)字診療裝備”青年專項(xiàng)、基金委面上項(xiàng)目、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。



作為一款成熟的商品化 CRS 產(chǎn)品，徠卡 TCS SP8 CARS 共聚焦顯微鏡可以簡單快速地實(shí)現(xiàn) CARS 無標(biāo)記成像、單光子/多光子共聚焦熒光成像、二次（SHG）/三次（THG）諧波成像，或者使用紅外、紫外激光進(jìn)行的各種應(yīng)用的成像，滿足全方位、多維度的高級(jí)生命科學(xué)研究需要。

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