西湖大学海归学者研发铁死亡新技术,有望对癌症患者进行敏感性快速分级,实现铁死亡药物的个体化高效治疗

2021-12-04 21:35:20 DeepTech深科技

“这是个‘一分为二’的研究,小部分在美国完成,大部分在中国完成,而一切的灵感来自 2019 年暑假。” 西湖大学生命科学学院功能脂质组学与代谢调控实验室独立 PI 邹贻龙表示。

带着未完成的研究入职西湖大学,并在该校完成关键性突破,无疑是对这位青年导师的最好嘉奖。

图 | 邹贻龙(来源:邹贻龙)

邹贻龙今年 34 岁,籍贯湖北荆州,本科毕业于清华,从纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心博士毕业后,又同时在美国博德研究所(Broad Institute)和哈佛大学化学生物学系完成博士后,2020 年底正式回国。

2021 年 11 月 22 日,邹贻龙团队的最新论文以《PALP:一种对正常和肿瘤原位组织的铁死亡敏感性进行分级的快速成像技术》(PALP: a rapid imaging technique for stratifying ferroptosis sensitivity in normal and tumor tissues in situ)为题发表。

(来源:资料图)

研究中,他们研发的成像技术,有望对癌症患者的肿瘤样品进行铁死亡敏感性快速分级,并有助于实现铁死亡药物的个体化高效治疗。

图 | PALP 即激光诱导脂质过氧化技术的工作原理和在细胞水平的验证(来源:资料图)

用光化学成像技术来预测细胞对铁死亡的敏感性

铁死亡(Ferroptosis)是“一种铁依赖性的,区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式”,亦是近年研究热点之一。

以 2019 年为例,当年有一百多篇铁死亡论文发表。大家对它的研究主要集中在分子机制和对疾病发生的影响。

在对疾病的影响上,大家一般从两个角度考虑:一是寻找铁死亡抑制剂阻断部分器官衰竭类疾病的进程,二是寻找铁死亡诱导剂诱导肿瘤细胞死亡,抑制肿瘤生长。

其中要预测一个细胞对诱导剂的敏感性,最直接方法是把细胞或组织分离出来、并加上诱导剂,然后观察细胞是否会响应。但该方法的实际可操作性较差,由于从病人身上取的细胞或组织通常会很快失去活性,没有办法再用诱导剂诱导组织死亡。

所以需要有更好的方法,对冷冻切片、或类似样本进行铁死亡敏感性的预测性分析。研究中,邹贻龙围绕该问题进行尝试,并从文献中获悉激光具备诱导脂质过氧化的潜在可能性。

他表示,脂质过氧化是细胞发生铁死亡的主要驱动力,因此使用脂质过氧化反应强度预测细胞的铁死亡敏感性是有理论基础的。

图 | PALP 用于鉴别肌肉组织衰老过程中多不饱和脂肪酸水平的变化(来源:资料图)

这里的最大特征是,光化学依赖的脂质过氧化不一定需要组织必须是活的,切片或冷冻的组织就可以发生这类反应,这也进一步为他们提供了在组织中进行检测的操作依据。

据悉,该研究使用 BODIPY-C11 作为 PALP 信号的分子指示剂。邹贻龙坦言,对于脂质过氧化指示剂其实没有太多选择余地。目前,可指示脂质过氧化的指示剂只有两种,BODIPY-C11 是其中一个,且已实现商业化,其稳定性和敏感性都比较高,价格也比较便宜。

论文中提到两种诱导系统 PALPv1 和 PALPv2,谈及两种系统的区别,他表示这里涉及的技术问题是:把细胞放在一个载玻片上,通过激光施加后的光化学反应,去诱导细胞内膜脂质的过氧化。

图 | PALP 用于鉴别组织和细胞对于铁死亡诱导剂的敏感性差异(来源:资料图)

在穿透细胞的过程中,激光会通过好几层不同的膜系统,包括细胞顶部的细胞膜、底部的细胞膜以及中间内质网等等。所以在测量时,第一代系统 PALPv1 无法区分信号到底来自于哪层膜系统。

在特定情况下,如果非要对脂质过氧化的动态过程,进行深入研究,那么信号来源是必须关注的问题。

为解决这一问题,他和团队开发出第二代系统 PALPv2,期间利用一种双光子显微镜技术,该技术和常规共聚焦显微镜之间的差别在于:双光子技术采取光源特殊的聚焦方式,因此只会在某一特定的焦平面去激活脂质过氧化反应,而不会在焦平面以外引起脂质过氧化,从而可实现靶向特定膜层的分析方法。

PALP 技术使用高功率激光

由于 PALP 技术使用高功率激光,因此要让激光的强度既可以诱导不饱和脂肪酸氧化,同时防止过度激活导致细胞死亡。

邹贻龙说,其中涉及到两个因素:一是激光刺激时间,二是激光所照射的面积。如果把激光单纯用于照射整个细胞,随着时间的延长,它存在引起细胞死亡的风险。

但在该研究里,他并不希望直接诱导细胞死亡,所以把激光高度聚焦在细胞中极小的范围内,大约只有细胞面积的 1% 或更小区域。这样一来,激光在小范围内引起的脂质过氧化损伤,可以被细胞快速修复,从而避免引起细胞死亡。

期间,他也尝试寻找过最短处理时间,在实验中细胞直接暴露在激光下的时间大约是 1 秒左右即 5 个 200 毫秒,时间非常短,不足以对细胞造成非特异性的激光损害和死亡。

那么,为何 PALP 技术使用的高功率激光可以诱导生物膜上局部脂肪过氧化?

邹贻龙说:“这涉及到一些光化学反应,机理上还不是特别清楚。但已经有一些推测:激光可像紫外线一样,让空气中的氧分子变成一种名为单氧分子的活跃基团,该基团可攻击细胞膜上的不饱和脂肪酸,由于这种不饱和脂肪酸具备较多不饱和化学键,因此非常容易被氧化,这种易被氧化的现象也是人体内非常典型的一种破坏方式,而该技术正是利用这一化学原理。”

有望助力靶向药研究和临床转化

从前期研究数据来看,假如有比较高效的铁死亡诱导剂,那么当获得恶性肿瘤病人的穿刺样本时, 结合该方法即可预判患者肿瘤的铁死亡敏感性。

研究中,邹贻龙做了一些小量样本分析,对于未来可能在临床上遇到的问题,还需做进一步扩大样本量的研究。总体上,他持有积极态度。

除了可用于癌症患者铁死亡敏感性的快速分级外,该技术还有两大潜在技术前景:

其一,和基础研究有关,一直以来该领域都很关心破坏后的细胞内膜系统的修复过程,而该技术能以快速激光诱导去破坏细胞的膜并实现可视化,借此可观测到底是哪些化合物、或哪些细胞内的生物分子可能参与了细胞膜修复过程,事实上这一研究理念也同样适用于铁死亡、以及脂质过氧化调控机制的研究。

其二,邹贻龙发现使用该技术时,对于铁死亡的敏感性,激光强度和细胞呈现正相关性。由于激光诱导的脂质过氧化,主要发生在多不饱和脂肪酸上,因此细胞区域的多不饱和脂肪酸水平越高,看到的信号强度就越强。

基于该原理,他预测此技术还可作为快速分析手段,去分析人体或疾病组织当中多不饱和脂肪酸的水平。

这类应用的实际意义在于,在组织和器官衰老过程中比如神经退行性疾病、老年痴呆症、以及肌肉组织衰老中,始终伴随着多不饱和脂肪酸水平的下降。而该技术有望助力检测这类下降、以及下降对疾病的影响。

论文第一作者王凤翔同学,是西湖大学 2020 级博士研究生,她说邹贻龙老师在研究过程中给予的帮助和支持,令人十分难忘。

最初她做组织切片时,第一次尝试时并没有成功,因为切片放在空气里风干了,后来和邹老师交流后,她才知道染料要渗透到细胞膜的脂质上。如果组织过于干燥,燃料的渗透率会快速下降。通过和导师的不断沟通,她和团队终于实现了相关技术难点突破。

图 | 王凤翔(来源:王凤翔)

论文作者中也有几位国外专家,对此邹贻龙表示:“最早在 2019 年暑假,我和清华大学生命科学学院俞立老师实验室博士后黄雨薇博士,在讨论课题的过程中产生了初步想法,并在黄博士的帮助下做了初步实验探索。不久后,我回到博德研究所研发出初步成果。”

不过那时,他在美国的博后学习还没有结束,借此机会进行了进一步研究,不过他在博德研究所的研究,仅限于在活细胞水平进行分析。后来他回国并加入西湖大学,经过反复摸索,终于将技术的应用范围提升到冷冻组织切片层面,借此产生了重要应用意义。

他还表示,后续希望能有更多学界和业界的研究人员来使用该技术,借此进行快速迭代,也可借此进一步获悉该技术在实际使用中可能遇到的问题,以便在临床上一步步实现预期效果。

留美读直博,在顶级研究中心完成博士后

邹贻龙生于 1987 年,来自湖北荆州。博士期间,他率先在癌症研究中使用翻译核糖体亲和性的纯化与测序技术(TRAP-Seq,Translating Ribosome Affinity Purification and Sequencing),后续该研究成为对已深度转移的癌细胞基因表达谱进行在体分析的先例。

博后期间,他曾阐释透明细胞癌中的脂代谢异常、以及它对于铁死亡的独特敏感性,发现了细胞铁死亡执行中的关键蛋白,并揭示了决定细胞铁死亡敏感性的重要分子机制。

说到回国他表示:“一方面离家人更近,方便团聚;另外国内科研气氛正在逐渐变好,总体投入也在逐年加大,我也一直希望回到祖国贡献力量。”

-End-

支持:多比

参考:

Wang F*, Graham ET*, Naowarojna N*, Shi Z*, Wang Y, Xie G, Zhou L, Salmon W, Jia J, Wang X, Huang Y, Schreiber SL#, Zou Y#. PALP: A rapid imaging technique for stratifying ferroptosis sensitivity in normal and tumor tissues in situ. Cell Chemical Biology 2021 doi: 10.1016/j.chembiol.2021.11.001

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐