Sendo aminoácidos aromáticos essenciais (AAAs), fenilalanina (Phe) e triptofano (Tryp) podem ser absorvidos pelo organismo humano para sintetizar novas moléculas para sustentar funções biológicas normais1. Phe é necessário para a síntese de proteínas, melanina e tirosina, enquanto Tryp é necessário para a síntese de melatonina, serotonina, e niacina 2,3. No entanto, o consumo excessivo desses AAAs pode regular o alvo mamífero da via da rapamicina (mTOR), inibir a proteína quinase ativada por AMP e interferir no metabolismo mitocondrial, alterando coletivamente a biossíntese de macromoléculas e levando à produção de precursores malignos, como espécies reativas de oxigênio (EROs) em células saudáveis 4,5,6. A visualização direta da dinâmica metabólica alterada sob regulação excessiva do AAA é essencial para entender o papel dos AAA na promoção do desenvolvimento do câncer e do crescimento de células saudáveis 7,8,9.
Os estudos tradicionais de AAA baseiam-se na cromatografia gasosa (GC)10. Outros métodos, como a ressonância magnética (RM), têm resoluções espaciais limitadas, dificultando a análise celular e subcelular de amostrasbiológicas11. Recentemente, a dessorção/ionização a laser assistida por matriz (MALDI) foi desenvolvida para elucidar o papel dos AAAs na síntese lipídica e proteica na proliferação do câncer com biomarcadores não invasivos12,13,14. No entanto, essa técnica ainda sofre com profundidades de imagem rasas, baixa resolução espacial e preparação extensa da amostra. Em nível celular, isótopos estáveis não tóxicos, como nitrogênio-15 e carbono-13, podem ser rastreados com imagens multiisótopos e espectrometria de massa de íons secundários em nanoescala para entender sua incorporação em macromoléculas. No entanto, esses métodos são destrutivos para amostras biológicas vivas15,16. A microscopia de força atômica (MFA) é outra técnica poderosa que pode visualizar a dinâmicametabólica17. A lentidão da varredura durante a aquisição de AFM, por outro lado, pode causar distorção da imagem do resultado da deriva térmica.
Desenvolvemos uma modalidade de imagem biortogonal não invasiva acoplando microscopia de espalhamento Raman estimulado sondado com óxido de deutério (D2O) e microscopia de fluorescência de excitação de dois fótons label-free (2PEF). Esta modalidade alcança alta resolução espacial e especificidade química na obtenção de imagens de amostras biológicas 18,19,20,21,22,23,24. Este protocolo introduz as aplicações de DO-SRS e 2PEF para examinar a dinâmica metabólica de lipídios, proteínas e alterações da razão redox durante a progressão do câncer. Sendo a D2O uma forma isotópica estável da água, as biomoléculas celulares podem ser marcadas com deutério (D) devido à sua rápida compensação com a água corporal total nas células, formando ligações carbono-deutério (C-D) através da troca enzimática21. As ligações C-D em macromoléculas recém-sintetizadas, incluindo lipídios, proteínas, DNA/RNA e carboidratos, podem ser detectadas na região silenciosa celular do espectro Raman 20,21,22,25,26,27. Com dois pulsos de laser sincronizados, ligações C-D de lipídios e proteínas recém-sintetizados podem ser exibidas em células individuais via imagem hiperespectral (HSI) sem extraí-las ou marcá-las com agentes citotóxicos. Além disso, a microscopia SRS tem a capacidade de construir modelos tridimensionais (3D) de regiões selecionadas de interesse em amostras biológicas, capturando e combinando um conjunto de imagens transversais22,26. Com imagens volumétricas hiperespectrais e 3D, DO-SRS pode obter distribuições espaciais de macromoléculas recém-sintetizadas em células únicas, juntamente com o tipo de organelas que facilitam o processo de promoção do crescimento do câncer sob regulação doAAA22. Além disso, usando 2PEF, podemos obter sinais de autofluorescência de Flavina e nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) com alta resolução, profundidade de penetração profunda e danos de baixo nível em amostras biológicas21,23,24. Sinais de autofluorescência de flavina e NADH têm sido utilizados para caracterizar a homeostase redox e a peroxidação lipídica em célulascancerosas22,26. Como tal, não só o acoplamento de DO-SRS e 2PEF fornece análise subcelular da dinâmica metabólica regulada por AAA em células cancerosas com alta distribuição espacial, informações de especificidade química e preparação mínima de amostras, mas o método também reduz a necessidade de extrair ou rotular moléculas endógenas com reagentes tóxicos. Neste protocolo, apresentamos primeiramente os procedimentos de preparação de D2O e aminoácidos, bem como cultura de células cancerígenas. Em seguida, mostramos os protocolos de imagem DO-SRS e imagem por 2PEF. Finalmente, apresentamos os resultados representativos da imagem SRS e 2PEF, que demonstram alterações metabólicas de lipídios e proteínas reguladas por AAA e alterações na razão redox em células cancerosas. Uma ilustração detalhada do processo é destacada na Figura 1.