常规血液样本中的新一层信息
每一份常规血液样本都包含多样化的免疫细胞群体，统称为外周血单个核细胞（PBMCs）。这些细胞是临床和研究流程中的重要组成部分，为感染、自身免疫疾病、癌症以及患者免疫系统对治疗的反应提供了一个窗口。但传统分析PBMCs的方法依赖与表面标记物结合的荧光标记，只能显示存在的是哪些细胞类型，而不能揭示这些细胞实际上如何运作。此外，制备过程本身也可能改变细胞，进而扭曲结果。
现在，发表在 Biophotonics Discovery 上的一项新研究展示了先进光学成像如何揭示此前隐藏的一个维度：复杂、异质样本中单个免疫细胞的代谢活动。这种无标记方法由Morgridge Institute for Research和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发，可能改变临床医生和科学家解读一次简单抽血中所蕴含丰富数据的方式。
为什么PBMCs重要
该研究资深作者、Morgridge Institute和威斯康星大学麦迪逊分校研究员Melissa Skala指出，PBMCs可以很容易地从临床样本中分离出来，而且已经整合进临床和治疗流程中。“PBMCs在临床上真的很容易分离，而且它们已经用于临床流程，”Skala说。“所以问题是，我们还能从中得到什么，是我们还没有得到的？”
这个问题具有日益增长的临床意义。PBMCs常被用于研究血液癌症、败血症、狼疮，甚至认知衰退等多种疾病。它们也是CAR T细胞疗法的起始材料，在这种疗法中，患者自身的免疫细胞会被工程化，以识别并攻击癌细胞。在这类应用中，了解免疫细胞不仅有多少，还了解它们的代谢活性和状态，可能带来对疾病进展和治疗结果更深入的认识。
例如，败血症患者的免疫细胞计数看起来可能正常，但单个细胞可能已经代谢衰竭或过度活跃。同样，在CAR T细胞制造中，采集细胞的代谢健康状况很可能影响最终治疗产品的质量和效力。然而直到现在，常规分析方法在很大程度上忽视了这一功能维度。
传统标记技术的局限
传统上，测量免疫细胞代谢需要分离特定细胞群，或加入荧光标记和化学探针。这些策略有明显缺点。分离细胞会破坏不同免疫细胞类型之间的自然相互作用，而这种相互作用在功能上可能很重要。荧光染料和化学探针可能扰乱细胞行为、消耗样本，或者只提供静态快照，而不是对细胞活动的实时观察。
此外，这些方法可能会破坏或永久改变细胞，使其难以甚至无法用于后续应用，例如细胞治疗。它们也往往将样本视为整体，平均掉个体细胞之间在生物学上可能十分重要的差异。例如，肿瘤中可能包含代谢状态差异巨大的免疫细胞，而整体测量会掩盖这种异质性。
这项新研究完全绕开了这些问题。它采用一种无损技术，在免疫细胞仍属于混合PBMC群体时测量其代谢，既保留了自然组织环境，也允许成像后继续进行分析。
光学代谢成像：一种无标记方法
研究人员采用了一种称为光学代谢成像（OMI）的技术，该技术由Skala实验室开发并改进。OMI利用关键代谢辅酶NADH和FAD的天然荧光，这些辅酶参与细胞能量生成。当免疫细胞处于代谢活跃状态时，这些辅酶的浓度和比例会发生变化，其天然荧光也会相应改变。
通过以低强度光激发这些分子并捕获发射信号，OMI可以在不添加任何外源标记或对比剂的情况下，以单细胞分辨率绘制代谢活动图。这使研究人员能够在接近生理条件下观察活细胞，并追踪其随时间的变化。
在这项研究中，研究人员证明OMI可以解析未作修改的PBMC样本中不同免疫细胞亚群之间的代谢差异。这一细节水平以往很难通过旧技术实现。该方法能够区分主要依赖糖酵解的细胞，这是一种快速但效率较低、在激活免疫细胞中常见的能量途径，以及依赖氧化磷酸化的细胞，后者是一种更可持续的能量生成方式。这些功能差异至关重要，因为它们与免疫细胞是静息、激活、耗竭还是转变为特定效应状态相关。
由于OMI不需要标记或物理扰动，它也为纵向研究打开了大门。同一样本可以在不同时间点重复成像，实时追踪免疫细胞对药物、病原体或其他刺激的反应。这比只能捕捉单一时间点的终点检测有显著改进。
临床与治疗意义
这些发现对许多临床应用领域都具有前景。例如，在癌症免疫学中，浸润肿瘤的免疫细胞代谢适应能力已知会影响患者是否对检查点抑制剂治疗产生反应。如果能在一次简单抽血获得的PBMCs中检测到类似的代谢特征，肿瘤科医生就可能获得一种无创方式来监测治疗期间的免疫功能。
在CAR T细胞疗法中，采集、工程化和扩增患者T细胞的过程昂贵且耗费人力。有些CAR T细胞产品在输注后无法植入或失去效力，这可能与原始细胞的代谢状态不佳有关。在工程化之前，使用OMI筛选代谢最强健的细胞，可能改善治疗结果。
狼疮等自身免疫疾病也涉及复杂的免疫失调，而PBMCs常被用来评估疾病活动度。由OMI得出的代谢生物标志物可以补充现有血清学标志物，更全面地呈现疾病状态，并指导治疗调整。
在感染性疾病背景下，败血症仍然是一个重大的临床挑战。败血症患者的免疫细胞往往表现出向抗炎、代谢受抑状态的转变，但这一直难以测量。OMI有望使临床医生在床旁准确评估免疫细胞的功能状态，进而区分单个患者的全身炎症和免疫麻痹。
推动临床转化
Skala实验室开发OMI已超过十年，之前已将其用于组织活检、肿瘤模型和类器官。最新研究将这一方法扩展到血液PBMC样本，这类样本在临床环境中远比组织标本更易获取。
PBMCs本来就作为常规临床流程的一部分被分离，这是一大优势。Skala再次强调：“PBMCs在临床上真的很容易分离，而且它们已经用于临床流程。”这表明采用门槛较低。OMI设备虽然仍较专业，但在研究和临床实验室中正变得越来越可获得，而该技术的无损特性意味着它可以整合到现有检测或细胞处理流程之前。
不过，在OMI成为标准诊断工具之前，仍有若干步骤要完成。需要更大规模的临床研究来验证这些代谢特征与已知疾病结局之间的对应关系，并界定特定疾病中何为“健康”与“失调”的代谢谱。仪器本身也必须变得更加用户友好且具备成本效益。不过，无标记成像的技术简洁性是一个令人鼓舞的信号。
发现常规PBMCs携带可通过无标记光学成像获取的隐藏代谢信息，代表着免疫监测的一个新前沿。研究人员目前正继续开展研究，记录不同疾病中的代谢状态，并将这些状态与患者治疗反应联系起来。在不久的将来，一次简单的血样可能提供的不仅仅是细胞计数，而是照亮每个免疫细胞功能状态的信息，以如今看起来近乎未来主义的方式指导个体化治疗。
本文基于 Phys.org 的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org