In vivomeasurement of NADH fluorescence lifetime in skeletal muscle via fiber-coupled time-correlated single photon counting

Kathryn M. Priest, Jacob V. Schluns, Nathania Nischal, Colton L. Gattis, Jeffrey C. Wolchok, and Timothy J. Muldoon

https://doi.org/10.1142/S179354582350030X

随着生物医学工程的发展，我们有能力更深入地理解生命体系中的复杂过程。最近，由美国阿肯色大学的Timothy J. Muldoon教授研究团队领导的一项研究，为我们揭示了一个关于活细胞中代谢动力学的全新视角。他们利用光纤耦合的时间相关单光子计数（TCSPC）技术，实现了对活细胞中NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）荧光寿命的实时、无创测量。

NADH，这种神奇的辅酶，是生物体代谢过程中，如糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化等过程中的关键电子传递者。由于它具有自发荧光性质，因此其荧光寿命可以被用来推断活细胞中的代谢动态。这一发现，为科学家们提供了一个全新的工具，来观察和理解生命体系中的代谢过程。

在这项研究中，研究团队使用了一种可植入式的针状探头，配合TCSPC技术，实现了对活体中NADH荧光寿命的测量。这种技术不仅可以实时观察肌肉收缩或组织再生过程中的代谢需求变化，而且还为疾病的早期诊断和治疗提供了新的可能性。

为了验证这一技术的实用性，研究团队进行了一系列的实验。他们首先在大鼠的左胫骨前肌（TA）中制造了体积性肌肉损失（VML）伤害。然后，他们在伤害发生前、中、后，以及肌肉进行30秒的强直性收缩时，收集了NADH荧光寿命的数据。这些数据被拟合到双指数衰减模型中，从而得出一个反映NADH利用情况的指标（细胞质与蛋白质结合的NADH的比例，即A1/A2比值）。

实验结果显示，与休息状态的肌肉相比，未受伤的肌肉在收缩和恢复过程中，这个比值明显升高。这表明在收缩和恢复的肌肉中，游离的NADH水平更高，暗示着糖酵解速率的增加。而在受伤的肌肉中，虽然这个比值总体上高于未受伤的肌肉，但随着时间的推移，这个比值却在逐渐降低。这与目前对伤口愈合过程中代谢变化的理解是一致的。

这项研究不仅证明了光纤耦合的TCSPC技术在活体中对NADH荧光寿命进行点式、微创测量的可行性，而且为我们提供了一种全新的方式来理解和研究生命体系中的代谢过程。这一技术的发展，有望为未来的医学研究开辟新的道路，帮助我们更好地理解疾病的发生和发展，以及开发更有效的治疗方法。

总的来说，这项研究展示了生物医学工程在生命科学领域中的巨大潜力。通过利用先进的技术手段，我们可以更深入地了解生命体系中的复杂过程，从而为人类的健康和福祉做出更大的贡献。我们期待着这一领域的未来发展，相信它将为我们带来更多的惊喜和发现。