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在單細胞水平上可視化代謝過程——使用與人工智能配對的基因編碼生物傳感器
芝加哥大學(xué)開發(fā)的一種新的成像和機器學(xué)習(xí)技術(shù)使科學(xué)家能夠觀察細胞分解葡萄糖，這可能會導(dǎo)致治療多種疾病的新方法，包括癌癥和 COVID-19。 了解細胞代謝——細胞如何利用能量——可能是治療多種疾病的關(guān)鍵，包括血管疾病和癌癥。 雖然許多技術(shù)可以在數(shù)以萬計的細胞中測量這些過程，但研究人員一直無法在單細胞水平上測量它們。 芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院和生物科學(xué)部的研究人員開發(fā)了一種成像和機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的技術(shù)，可以首次在細胞和亞細胞水平上測量代謝過程。 使用與人工智能配對的基因編碼生物傳感器，研究人員能夠測量單個內(nèi)皮細胞（血管排列的細胞）的糖酵解，即將葡萄糖轉(zhuǎn)化為能量的過程。 他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些細胞移動和收縮時，它們會使用更多的葡萄糖，而且他們還發(fā)現(xiàn)細胞通過一種以前未知的受體吸收葡萄糖。了解這一過程可以更好地治療癌癥和血管疾病，包括COVID-19。 該研究由 Assoc 領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在Nature Metabolism上。云芳教授和助理共同領(lǐng)導(dǎo)。黃軍教授，原博士后，現(xiàn)助理教授。David Wu 教授和生物物理科學(xué)研究生 Devin Harrison。 “了解細胞代謝非常重要，”黃說。“通過測量單細胞代謝，我們可能有一種治療多種疾病的新方法。” “這是我們第一次在不同的時間和空間尺度上可視化細胞代謝，甚至在亞細胞水平上，這可能從根本上改變研究人員研究細胞代謝的語言和方法，”方說。 測量糖酵解 內(nèi)皮細胞通常在血管內(nèi)提供一個緊密的層，但當(dāng)它們需要免疫系統(tǒng)的幫助時，它們可以收縮，在該層內(nèi)留下空隙。異常收縮會導(dǎo)致血管滲漏，導(dǎo)致心臟病發(fā)作或中風(fēng)。肺部周圍血管的這種收縮也會導(dǎo)致液體滲入，這發(fā)生在急性呼吸窘迫綜合征的情況下。（這通常發(fā)生在患有嚴重 COVID-19 病例的患者身上。） 為了更好地了解細胞如何代謝能量來促進這種收縮，研究人員轉(zhuǎn)向了 Förster 共振能量轉(zhuǎn)移傳感器——一種可以測量細胞內(nèi)乳酸含量的基因編碼生物傳感器。乳酸是糖酵解的副產(chǎn)物。 盡管研究人員沒有制造傳感器，但通過將傳感器與機器學(xué)習(xí)算法配對，他們創(chuàng)造了一種更強大的技術(shù)，使他們能夠?qū)毎M行成像、分析數(shù)據(jù)并解析細胞和亞細胞水平的糖酵解反應(yīng)。
“現(xiàn)在我們可以查看和了解細胞內(nèi)的細節(jié)，例如糖酵解增加的某些細胞區(qū)域，”Fang 說。“這是一項關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新。” 他們能夠測量當(dāng)它們收縮和移動時使用了多少葡萄糖細胞，并且他們還發(fā)現(xiàn)了由細胞的細胞骨架（一種稱為 GLUT3 的受體）介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運的新機制，這些細胞用來吸收葡萄糖。 創(chuàng)造新的治療方法 了解糖酵解在細胞水平上的作用最終可能會導(dǎo)致在有益的情況下抑制這一過程的治療——例如，在動脈粥樣硬化患者的血管滲漏的情況下。例如，它還可以幫助免疫系統(tǒng)對 COVID-19 反應(yīng)過度、需要幫助彌合肺部周圍內(nèi)皮細胞間隙的患者。 “如果我們能找到一種抑制收縮的方法，我們就可以減輕 COVID-19 患者的急性呼吸窘迫綜合征，”方說。 它在治療癌癥方面也具有重要意義。由糖酵解驅(qū)動的內(nèi)皮遷移和增殖是參與血管生長的主要細胞過程，這是腫瘤存活和生長所必需的。了解其工作原理可以幫助研究人員破壞腫瘤并抑制腫瘤生長。 它也可用于 CAR T 細胞療法，該療法可以募集人體自身的免疫系統(tǒng)來對抗腫瘤。雖然這種療法對一些人來說已經(jīng)挽救了生命，但許多患者對它沒有反應(yīng)。由于內(nèi)皮細胞對于允許 T 細胞浸潤腫瘤很重要，并且細胞代謝對 T 細胞功能有幫助，因此研究人員認為，調(diào)節(jié)細胞代謝可以幫助創(chuàng)建更好的免疫治療系統(tǒng)。 研究人員目前正在阿貢國家實驗室測試此類抑制劑以治療 COVID-19 引起的急性呼吸窘迫綜合征。 “我們最終能通過新陳代謝對細胞進行重編程嗎？” 黃說。“這是一個重要的問題，我們需要了解新陳代謝的工作原理。這里有巨大的潛力，而這只是起點。” 文章出自：科信儀器 轉(zhuǎn)載時必須以鏈接形式注明作者和原始出處及本聲明。
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