2024年12月10日，国际顶级学术期刊《J. Am. Chem. Soc.》在线发表了东南大学生物科学与医学工程学院/数字医学工程全国重点实验室梁高林教授团队的最新研究成果。文章标题为《Spatially Quantitative Imaging of Enzyme Activity in a Living Cell》。该研究提出了一种通用的单细胞酶活空间定量成像新方法。作者利用该方法设计智能比率型拉曼探针来响应细胞内特定的蛋白酶，进而触发CBT-Cys点击反应。在此过程中，作者利用探针上氰基（C≡N）和炔基（C≡C）拉曼信号的比率型变化，实现了单个活细胞内酶活的空间定量成像分析（J. Am. Chem. Soc.2024, DOI:10.1021/jacs.4c14190）。
酶活性在驱动细胞异质性方面起着至关重要的作用。目前酶活成像探针在细胞内停留时间过短或缺乏内参照物，导致酶活的空间定量成像难以真实展现活细胞的异质性，限制了对细胞动态行为的深度解析。基于此，梁高林教授团队以肿瘤细胞内高表达的组织蛋白酶B（CTSB）为例，设计了一种比率型拉曼探针Val-Cit-Cys(StBu)-Pra-Gly-CBT (Yne-CBT)，对单细胞内CTSB酶活进行了空间定量成像（见下图）。该探针包含三个关键部分：（1）CTSB特异性识别的多肽底物序列Val-Cit；（2）带有氰基的CBT和StBu保护的Cys，用于CBT-Cys点击反应；（3）含有炔丙基的甘氨酸。当Yne-CBT被细胞摄取后，在CTSB的特异性酶切下触发CBT-Cys点击反应，生成环状二聚体Yne-CBT-Dimer，从而延长探针在胞内的停留时间。在Yne-CBT发生CBT-Cys点击反应过程中，氰基被消耗，其拉曼信号随之降低；炔基的拉曼信号不变，可作为内参。作者将氰基和炔基的拉曼信号进行比率型成像，定量检测出活细胞内不同部位的CTSB酶活。体外实验表明，通过壳层隔绝纳米颗粒增强拉曼光谱（SHINERS）技术，20 µM 的Yne-CBT就能够定量检测 CTSB 酶活，检测限 61.4 U L-1。作者还自制了微流控通道，并将Yne-CBT成功应用于单个MDA-MB-231活细胞中CTSB酶活的空间定量成像，揭示了该细胞内CTSB酶活的显著异质性。该工作为高精度单细胞分析提供了一种简单却实用的工具，并为细胞异质性和酶介导的生物过程提供了一种新的成像方法。
该论文的共同第一作者为东南大学生物科学与医学工程学院王睿研究员和中国药科大学理学院周磊副教授。东南大学首席教授、数字医学工程全国重点实验室副主任梁高林为唯一通讯作者。该工作在国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目和江苏省前沿引领技术基础研究重大项目的资助下完成。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c14190
