细胞代谢（即生物分子的合成，转化和降解）对于发育、稳态、应激响应等重要生物过程具有决定性作用。

然而相对应的代谢成像技术却仍有限，并且都有其各自局限性。

例如广泛使用的荧光成像技术需要荧光染料或荧光蛋白作为探针，而这些探针相对于代谢小分子尺寸过大，往往会破坏其正常生物功能。更多新型代谢成像技术有待开发。

闵玮等课题组也开发了一系列基于拉曼振动的探针。与拉曼类似，不同化学键由于其振动差异，会有独特的红外吸收频率，然而红外吸收效率（吸收截面）通常是拉曼散射效应的10^10倍。

得益于大面积红外检测器及高能量的量子级联激光器的出现，红外显微术近年来得到了长足发展。但现有技术基本都是非标记的，特异性不高。

基于此，研究人员设计了三种红外分子探针，包括叠氮键、13C及碳氘键， 并结合傅里叶红外显微镜 (FTIR)以及离散频率激发红外成像(DFIR)，发展了一种高通量代谢成像技术。

这些探针可以显影通过代谢活动而带有特异化学键标记的新合成蛋白质、脂类和糖类，广泛适用于细胞、线虫、小鼠、菌膜群落等多种体系（图1a）。

值得一提的是，这些探针由于具有不同红外吸收频率，可以标记不同的代谢前体小分子，从而实现多色成像，同时追踪不同的代谢通路（图1b）。

对于小鼠生理学研究，研究人员发现使用重水这一简单的标记方法也可以同时对多种器官内的蛋白质和脂类的合成进行追踪（图1c）。

图1. 红外分子探针（a）及多色代谢成像 (b-c)

研究人员将这一技术在单细胞分析及大尺度小鼠组织成像两个维度进行了展示。

不同分子探针的联用能够将FTIR显微镜应用于基于动态代谢活动的乳腺癌细胞的亚分型 （图2a）。

快速的DFIR成像能够在2-3分钟内实现上万个细胞的检测，对研究细胞异质性具有强大潜力（图2b）。

研究人员还在胶质母细胞瘤小鼠模型上基于蛋白质和脂类的生物合成，研究了不同阶段下的肿瘤进程（图2c）。

该工作首次将标记代谢通路的分子探针引入高通量红外成像技术，特别适用于细胞分辨率水平的快速或大尺度检测。

红外分子探针也能够推广到更多基于红外吸收的新型检测手段，包括原子力红外，光声红外，光热红外等等，从而实现例如活细胞成像、纳米级成像等的生物应用。

图2. 红外分子探针应用于单细胞代谢分析(a-b)和大尺度组织代谢成像(c)

相关论文信息：

DOI:  10.1038/s41592-020-0883-z