上海
复杂组织中生物分子的空间分布与动态变化，是维持组织稳态、调控细胞命运及疾病发生发展的重要基础。然而，如何在保持组织完整性的前提下，实现多种生物分子的同步、无标记和原位解析，仍是生命科学领域的重要挑战。传统标记技术受限于检测通量，而蛋白质组学和代谢组学等高通量方法虽能获取丰富分子信息，但由于样本破碎，难以保留空间分布的生物学信息。近年来兴起的空间组学技术主要聚焦核酸和蛋白质，对脂质、糖类及其他代谢分子的原位解析仍存在不足。因此，开发兼具空间分辨率、分子多样性和高通量检测能力的新型原位生化解析技术，成为复杂组织研究的重要方向。
近日，南通大学于骏教授团队联合南京医科大学附属苏州医院、南通大学附属妇幼保健院、常州市妇幼保健院等单位，在Advanced Science发表题为Super-multiplexed label-free Raman imaging uncovers novel testicular metabolic couplings for residual body and spermatogonial differentiation的研究论文。研究团队首次将超多重无标记拉曼成像（Super-multiplexed Label-free Raman Imaging，SLRI）技术引入生殖医学领域。SLRI基于共聚焦拉曼显微镜，结合高光谱数据采集、光谱解混及二维/三维空间重建，实现复杂组织中多种生物分子的同步无标记原位解析。本研究绘制了果蝇睾丸完整的二维生化图谱，并对其头部精原细胞分化的生理与病理状态进行三维空间重建，可在同一样本中同时解析脂质、蛋白质、糖类代谢物、氨基酸、维生素等40余种生物分子的空间分布，为复杂组织的生化组成与代谢重塑研究提供了新的技术范式。
图1. SLRI分析方法示意图
大量冗余胞质在精子变形过程中脱落并形成残余体（residual body, RB）。尽管RB的形成与清除是精子成熟的关键环节，其精确的生化物质基础在长达一个世纪的时间里始终是一个“黑箱”。依托SLRI平台，研究团队实现了RB原位生化图谱解析，发现RB并非传统认知中的惰性废弃物，而是富含脂质、蛋白质及特定代谢物的代谢活跃区室。分析表明，RB相关生化特征与糖酵解、线粒体呼吸及脂质代谢等关键代谢过程存在关联，为理解RB形成及清除的生化基础提供了新的证据。
图2. 果蝇睾丸2D/3D SLRI
研究团队进一步将SLRI应用于精原细胞分化受阻模型，聚焦细胞色素P450酶家族成员Cyp4ae1。研究发现，干扰Cyp4ae1可导致果蝇睾丸精原细胞分化阻滞，并形成异常聚集的精原细胞团簇。通过SLRI分析发现，RB与阻滞的精原细胞团簇之间存在显著的生化组分相似性。有趣的是，阻滞的精原细胞团簇中，部分生物分子呈现协同的时空变化，提示分化阻滞伴随动态的生化组分改变，为理解该过程中的代谢重塑提供了新视角。
SLRI进一步拓展了无标记拉曼成像对复杂组织的解析应用。研究团队实现了氨基酸和维生素等传统拉曼成像较少涉及的生物分子的原位空间解析，发现多种氨基酸和维生素在RB及阻滞的精原细胞中呈现显著的空间分布差异。研究还发现多种脂质、氨基酸和维生素在RB外围呈独特的点状分布，这一新发现的空间模式提示RB周围存在特异的分子排布，为阐明RB形成与清除的空间组织机制提供了新线索。
南通大学李嘉欣博士和黄秋汝博士、南通大学附属医院陈霞主治医师、徐州市中心医院祁玉娟副主任医师、江苏大学附属医院乔晨副主任药师以及镇江市妇幼保健院赵丹副主任为本文共同第一作者。南通大学于骏教授、南京医科大学附属苏州医院郑波副研究员、常州市妇幼保健院石中华教授、南通大学附属妇幼保健院谭小方副主任医师以及生医视界赵晓宇为本文共同通讯作者。
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76757?af=R
制版人： 十一
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