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在單細(xì)胞水平上可視化代謝過(guò)程——使用與人工智能配對(duì)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(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使科學(xué)家能夠觀察細(xì)胞分解葡萄糖，這可能會(huì)導(dǎo)致治療多種疾病的新方法，包括癌癥和 COVID-19。 了解細(xì)胞代謝——細(xì)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(wàn)計(jì)的細(xì)胞中測(cè)量這些過(guò)程，但研究人員一直無(wú)法在單細(xì)胞水平上測(cè)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(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的技術(shù)，可以首次在細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上測(cè)量代謝過(guò)程。 使用與人工智能配對(duì)的基因編碼生物傳感器，研究人員能夠測(cè)量單個(gè)內(nèi)皮細(xì)胞（血管排列的細(xì)胞）的糖酵解，即將葡萄糖轉(zhuǎn)化為能量的過(guò)程。 他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些細(xì)胞移動(dòng)和收縮時(shí)，它們會(huì)使用更多的葡萄糖，而且他們還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞通過(guò)一種以前未知的受體吸收葡萄糖。了解這一過(guò)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(xì)胞代謝非常重要，”黃說(shuō)。“通過(guò)測(cè)量單細(xì)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(shí)間和空間尺度上可視化細(xì)胞代謝，甚至在亞細(xì)胞水平上，這可能從根本上改變研究人員研究細(xì)胞代謝的語(yǔ)言和方法，”方說(shuō)。 測(cè)量糖酵解 內(nèi)皮細(xì)胞通常在血管內(nèi)提供一個(gè)緊密的層，但當(dāng)它們需要免疫系統(tǒng)的幫助時(shí)，它們可以收縮，在該層內(nèi)留下空隙。異常收縮會(huì)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(huì)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(yán)重 COVID-19 病例的患者身上。） 為了更好地了解細(xì)胞如何代謝能量來(lái)促進(jìn)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(cè)量細(xì)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(méi)有制造傳感器，但通過(guò)將傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)算法配對(duì)，他們創(chuàng)造了一種更強(qiáng)大的技術(shù)，使他們能夠?qū)?xì)胞進(jìn)行成像、分析數(shù)據(jù)并解析細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的糖酵解反應(yīng)。
“現(xiàn)在我們可以查看和了解細(xì)胞內(nèi)的細(xì)節(jié)，例如糖酵解增加的某些細(xì)胞區(qū)域，”Fang 說(shuō)。“這是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新。” 他們能夠測(cè)量當(dāng)它們收縮和移動(dòng)時(shí)使用了多少葡萄糖細(xì)胞，并且他們還發(fā)現(xiàn)了由細(xì)胞的細(xì)胞骨架（一種稱為 GLUT3 的受體）介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的新機(jī)制，這些細(xì)胞用來(lái)吸收葡萄糖。 創(chuàng)造新的治療方法 了解糖酵解在細(xì)胞水平上的作用最終可能會(huì)導(dǎo)致在有益的情況下抑制這一過(guò)程的治療——例如，在動(dòng)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(duì) COVID-19 反應(yīng)過(guò)度、需要幫助彌合肺部周圍內(nèi)皮細(xì)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(shuō)。 它在治療癌癥方面也具有重要意義。由糖酵解驅(qū)動(dòng)的內(nèi)皮遷移和增殖是參與血管生長(zhǎng)的主要細(xì)胞過(guò)程，這是腫瘤存活和生長(zhǎng)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(zhǎng)。 它也可用于 CAR T 細(xì)胞療法，該療法可以募集人體自身的免疫系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗腫瘤。雖然這種療法對(duì)一些人來(lái)說(shuō)已經(jīng)挽救了生命，但許多患者對(duì)它沒(méi)有反應(yīng)。由于內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)于允許 T 細(xì)胞浸潤(rùn)腫瘤很重要，并且細(xì)胞代謝對(duì) T 細(xì)胞功能有幫助，因此研究人員認(rèn)為，調(diào)節(jié)細(xì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(guò)新陳代謝對(duì)細(xì)胞進(jìn)行重編程嗎？” 黃說(shuō)。“這是一個(gè)重要的問(wèn)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(diǎn)。” 文章出自：科信儀器 轉(zhuǎn)載時(shí)必須以鏈接形式注明作者和原始出處及本聲明。
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