近日，深圳大学医学光子学创新研究院在化学与分析检测领域权威期刊《Analytical Chemistry》(JCR一区TOP期刊)发表题为“In Vivo Hyperspectral CARS Imaging Reveals Photobiomodulation-Driven Remodeling of Fatty Acid Homeostasis in AD Mouse Model”的研究论文。
该研究应用了活体高光谱相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS)显微成像技术，在免标记、非侵入的条件下，首次在活体水平上揭示了光生物调控(PBM)对阿尔茨海默症(AD)小鼠大脑皮层脂质代谢紊乱的调节效应。该技术克服了传统方法难以在活体状态下兼顾高空间分辨率与多光谱分析脂质异质性的难题，为神经退行性疾病的病理研究与光学治疗评估提供了强有力的表征手段。罗子奕博士为论文第一作者，屈军乐教授与陈钰教授为通讯作者，深圳大学为第一完成单位。
1.研究背景
AD作为一种病因复杂的神经退行性疾病，不仅伴随着经典的淀粉样蛋白(Aβ)斑块沉积和 tau 蛋白过度磷酸化，还涉及大脑内微环境的脂质代谢异常。特别是在脑组织中，饱和脂肪酸(SFAs)积累和不饱和脂肪酸(UFAs)减少与神经炎症、氧化应激及线粒体功能障碍密切相关。然而，目前对脑内脂质代谢的研究大多依赖组织切片、生化提取或质谱分析等离体检测手段，难以实现活体条件下脂质代谢的长期动态追踪。因此，发展一种能够在活体脑内实现脂质化学组成无标记、定量和动态监测的成像技术，是揭示AD代谢病理机制的关键需求。
2.技术创新
虽然CARS技术具备无标记化学成像优势，但单一波长难以解析复杂生物组织中重叠的脂质振动谱。为了解决这一痛点，团队构建了一套基于高光谱CARS与光谱解耦算法相结合的活体化学成像平台。首先通过标准模型体系(甘油三棕榈酸酯、甘油三油酸酯和牛血清白蛋白)对高光谱CARS分析流程进行了严谨验证，结果表明该方法能够准确分离不同化学组分，并高精度重建其真实空间分布，成功克服了传统方法难以在活体状态下兼顾高空间分辨率与多光谱分析脂质异质性的难题(图1)。
图1 高光谱CARS与MCR光谱解耦
3.验证与应用成果
将该技术应用于AD模型小鼠研究发现，随着疾病进展，脑内脂质组成表现出明显的“饱和化”趋势，即饱和脂肪酸持续积累，而不饱和脂肪酸逐渐减少。这种代谢异常在Aβ斑块周围区域及淀粉样脑血管附近尤为显著，提示脂质代谢紊乱与AD病理演化过程密切相关。 在PBM干预实验中，研究团队发现PBM能够显著抑制脂质饱和化趋势，使脑组织脂肪酸组成维持在更接近正常状态的分布区间(图2)。
图2 长期监测各组小鼠脂质代谢
此外，结合小胶质细胞荧光成像发现，脂质组成变化与免疫细胞状态存在空间相关性：静息态小胶质细胞倾向于分布在不饱和脂质富集区，而活化状态细胞则与饱和脂质积累区高度相关。PBM干预后，小胶质细胞活化程度降低且局部脂质环境趋于平衡，表明脂质代谢重构可能参与了PBM调节神经炎症的过程(图3)。
图3 小胶质细胞周围脂质分布图
4.研究总结
本工作发展了一种基于高光谱CARS与光谱解耦的活体化学成像技术，实现了脑内饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸及蛋白质组分的无标记、多组分动态监测。该技术不仅首次揭示了AD病程中脑组织脂肪酸稳态失衡的动态演变过程，还从脂质代谢重塑角度阐明了PBM的作用机制，为神经退行性疾病的研究及疗效评价提供了全新的技术手段。
项目支持
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划项目的支持。
