Вібраційна візуалізація живих клітин метаболітів холіну шляхом стимульованого комбінаційного розсіювання в поєднанні з

Фангхао Ху

кафедра хімії Колумбійського університету, 3000 Бродвей, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

Лу Вей

кафедра хімії Колумбійського університету, 3000 Бродвей, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

Чаогу Чжен

b Відділ біологічних наук Колумбійського університету, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

Іхуей Шень

кафедра хімії Колумбійського університету, 3000 Бродвей, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

Вей Мін

кафедра хімії Колумбійського університету, 3000 Бродвей, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

c Інститут науки про мозок Кавлі, Колумбійський університет, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

Пов’язані дані

Анотація

Вступ

Метаболізм холіну виконує важливу роль у біологічній функції всіх живих організмів. Він бере участь у різних життєво важливих процесах, таких як формування клітинної мембрани, передача сигналів, транспорт ліпідів, нейромедіатор, синтез ацетилхоліну та реакція переносу метилу. 1 Важливі метаболіти, що містять холін, включають фосфохолін (ПК) з невеликою молекулою, гліцерофосфохолін (GPC), зв’язаний з ліпідами фосфатидилхолін (PtC) та сфінгомієлін (SM).

Тут ми повідомляємо про неінвазивну візуалізацію in vivo метаболітів, що містять холін, з субклітинною роздільною здатністю за допомогою мікроскопії стимульованого розсіювання КРС (рис. 1а) за допомогою метаболічного включення дейтерованого (триметил-D9) -холіну. Потрапляючи в клітини, холін в основному метаболізується через шлях Кеннеді у невеликі молекули ПК, GPC та фосфоліпіди холіну, зв’язані з мембраною (рис. 1b). Активований метаболізм холіну в пухлині та велике споживання холіну під час внутрішньоутробного розвитку призведуть до активного засвоєння D9-холіну, включеного в загальний пул метаболітів холіну в динамічній рівновазі, що служить виразним біомаркером для раку, нервової функції та ембріонального розвитку.

клітин

Стимульоване раманівське розсіювання (SRS) зображення холінових метаболітів шляхом метаболічного включення дейтерованого D9-холіну. (a) Налаштування мікроскопа SRS. Просторово та тимчасово перекриті стоксові та пучкові насоси призводять до селективної вібраційної активації всередині зразка в резонансних умовах. (b) Включення D9-холіну в клітинний пул метаболітів холіну служить метаболічним біомаркером при прогресуванні пухлини, функції мозку та ембріональному розвитку. (c) Енергетична діаграма разом із вхідним та вихідним лазерними спектрами SRS.

Результати і обговорення

Спонтанні спектри КРС клітин HeLa, доповнені (чорним) та без (синього) D9-холіну та 100 мМ D9-холіном (червоним) у сольовому розчині, забуференному фосфатом (PBS). Для візуалізації SRS обраний пік 2188 см -1 в зоні безклітинного КРС.

Візуалізація метаболітів D9-холіну в живих клітинах вперше демонструється за допомогою SRS у клітинній лінії HeLa раку шийки матки людини. Дійсно, спонтанний спектр раманівського спектру клітин HeLa, доповнений 10 мМ D9-холіном протягом 48 годин, демонструє таку ж картину раманових піків у безклітинній ділянці, як і для D9-холіну в розчині PBS (рис.2), перевіряючи клітинне поглинання D9-холін. Виходячи з інтенсивності КРС (рис. 2, чорний та червоний спектри), середні внутрішньоклітинні метаболіти D9-холіну оцінюються як

SRS-зображення метаболітів, що містять D9-холін, у різних клітинних лініях раку (a – c) та ембріональних (d – e). (a) 2188 см -1 зображення метаболітів D9-холіну (холін-он) у живих клітинах HeLa, культивованих 10 мМ D9-холіном протягом 48 годин. Сильний сигнал спостерігається в областях навколо ядра (позначених стрілками), таких як ендоплазматичний ретикулум. (b) 2188 см -1 зображення холіну на живих клітинах HeLa, культивованих у середовищі без D9-холіну. (c – e) 2188 см -1 зображень холіну на живих клітинах остеосаркоми кістки людини U2OS (c), живих клітинах зародка людської нирки HEK293T (d) та живих клітинах фібробласту мишей NIH3T3 мишей, культивованих з 5 або 10 мМ D9-холін протягом 48 годин. Зображення 1655 см -1 (амід I з білка) та зображення 1900 см -1 (холін-відключення) відображають той самий набір клітин, що і на зображеннях холіну. Холіновий і холіновий канали зображують в однакових експериментальних умовах. Колірна шкала в амідному каналі в 3 рази більша за інші канали. Кольорові смуги в холінових каналах відповідають діапазону концентрацій D9-холіну від 0 до найтемнішого до 78,7 мМ найяскравішого. Шкала шкали: 10 мкм.