Al ser aminoácidos aromáticos esenciales (AAA), la fenilalanina (Phe) y el triptófano (Tryp) pueden ser absorbidos por el cuerpo humano para sintetizar nuevas moléculas para mantener las funciones biológicas normales1. La Phe es necesaria para la síntesis de proteínas, melanina y tirosina, mientras que Tryp es necesaria para la síntesis de melatonina, serotonina y niacina 2,3. Sin embargo, el consumo excesivo de estos AAA puede aumentar la diana de la vía de la rapamicina (mTOR) en los mamíferos, inhibir la proteína quinasa activada por AMP e interferir con el metabolismo mitocondrial, alterando colectivamente la biosíntesis de macromoléculas y conduciendo a la producción de precursores malignos, como las especies reactivas de oxígeno (ROS) en células sanas 4,5,6. La visualización directa de la dinámica metabólica alterada bajo un exceso de regulación de AAA es esencial para comprender el papel de los AAA en la promoción del desarrollo del cáncer y el crecimiento de células sanas 7,8,9.
Los estudios tradicionales de AAA se basan en la cromatografía de gases (GC)10. Otros métodos, como la resonancia magnética (RM), tienen resoluciones espaciales limitadas, lo que dificulta la realización de análisis celulares y subcelulares de muestras biológicas11. Recientemente, se ha desarrollado la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI) para dilucidar el papel de los AAA en la síntesis de lípidos y proteínas en la proliferación del cáncer con biomarcadores no invasivos12,13,14. Sin embargo, esta técnica todavía adolece de profundidades de imagen poco profundas, poca resolución espacial y una amplia preparación de la muestra. A nivel celular, los isótopos estables no tóxicos, como el nitrógeno-15 y el carbono-13, se pueden rastrear con imágenes de isótopos múltiples y espectrometría de masas de iones secundarios a nanoescala para comprender su incorporación en macromoléculas. Sin embargo, estos métodos son destructivos para las muestras biológicas vivas15,16. La microscopía de fuerza atómica (AFM) es otra técnica poderosa que puede visualizar la dinámica metabólica17. Por otro lado, la lentitud de la exploración durante las imágenes AFM puede provocar una distorsión de la imagen del resultado debido a la deriva térmica.
Desarrollamos una modalidad de imagen biortogonal no invasiva mediante el acoplamiento de la microscopía de dispersión Raman estimulada por sonda de óxido de deuterio (D2O) y la microscopía de fluorescencia por excitación de dos fotones sin marcaje (2PEF). Esta modalidad logra una alta resolución espacial y especificidad química al tomar imágenes de muestras biológicas 18,19,20,21,22,23,24. Este protocolo presenta las aplicaciones de DO-SRS y 2PEF para examinar la dinámica metabólica de los lípidos, las proteínas y los cambios en la proporción redox durante la progresión del cáncer. Dado que elD2Oes una forma isotópica estable del agua, las biomoléculas celulares pueden marcarse con deuterio (D) debido a su rápida compensación con el agua corporal total en las células, formando enlaces carbono-deuterio (C-D) a través del intercambio enzimático21. Los enlaces C-D en macromoléculas recién sintetizadas, incluidos lípidos, proteínas, ADN/ARN y carbohidratos, se pueden detectar en la región silenciosa celular del espectro Raman 20,21,22,25,26,27. Con dos pulsos láser sincronizados, los enlaces C-D de lípidos y proteínas recién sintetizados se pueden mostrar en células individuales a través de imágenes hiperespectrales (HSI) sin extraerlos ni marcarlos con agentes citotóxicos. Además, la microscopía SRS tiene la capacidad de construir modelos tridimensionales (3D) de regiones seleccionadas de interés en muestras biológicas mediante la captura y combinación de un conjunto de imágenes transversales22,26. Con imágenes hiperespectrales y volumétricas en 3D, DO-SRS puede obtener distribuciones espaciales de macromoléculas recién sintetizadas en células individuales, junto con el tipo de orgánulos que facilitan el proceso de promoción del crecimiento del cáncer bajo la regulación AAA22. Además, utilizando 2PEF, podemos obtener señales de autofluorescencia de flavina y nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) con alta resolución, profundidad de penetración profunda y daño de bajo nivel en muestras biológicas21,23,24. Las señales de autofluorescencia de flavina y NADH se han utilizado para caracterizar la homeostasis redox y la peroxidación lipídica en células cancerosas22,26. Como tal, el acoplamiento de DO-SRS y 2PEF no solo proporciona un análisis subcelular de la dinámica metabólica regulada por AAA en células cancerosas con alta distribución espacial, información de especificidad química y preparación mínima de muestras, sino que el método también reduce la necesidad de extraer o marcar moléculas endógenas con reactivos tóxicos. En este protocolo, primero presentamos los procedimientos de preparación deD2Oy aminoácidos, así como el cultivo de células cancerosas. A continuación, se muestran los protocolos de imagen DO-SRS y 2PEF. Finalmente, presentamos los resultados representativos de las imágenes SRS y 2PEF, que demuestran los cambios metabólicos regulados por AAA de lípidos y proteínas, y los cambios en la relación redox en las células cancerosas. En la Figura 1 se destaca una ilustración detallada del proceso.