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当患者罹患特定癌症或免疫相关疾病时，临床医生会通过分析患者白细胞的特征获取疾病进展、治疗效果相关的线索。临床实验室从采血样本中分离外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cells, PBMCs，以免疫细胞为主要组分），评估不同细胞类型的丰度及部分基础功能指标。PBMC同时也是嵌合抗原受体T（CAR-T）细胞疗法的起始原料，该疗法通过改造患者自身免疫细胞以对抗特定癌症。
莫格里奇研究所的科学家开展的一项研究证实，先进成像技术——光学代谢成像（optical metabolic imaging, OMI）可用于表征患者外周血来源免疫细胞的代谢活性，研究人员表示该技术可优化疾病诊断方案与细胞疗法的生产流程。
研究人员提出，将该技术与现有临床技术联合使用，可获得远超单纯细胞计数的更高维度信息。此外，在复杂样本而非单一培养体系中对免疫细胞及其代谢状态进行分类，可更准确地解析细胞行为特征。
研究团队希望该技术能助力优化血液系统恶性肿瘤、系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus, SLE）、脓毒症、认知功能减退等免疫系统相关疾病的诊断与治疗。与临床现有手段相比，更精细、全面地解析工程化免疫细胞的免疫动力学特征，可改善包括CAR-T细胞疗法在内的治疗手段的患者预后。
“PBMC的临床分离操作非常简便，且已经被纳入常规临床工作流程，”莫格里奇研究所生物医学工程领域研究员Melissa Skala博士表示，“因此我们的研究问题是，我们还能从PBMC中挖掘哪些尚未被利用的信息？”
Skala是该团队发表在《生物光子学探索》（Biophotonics Discovery）上的论文的通讯作者，论文题为《自发荧光寿命成像解析外周血单个核细胞的异质性》，研究团队在文中提出OMI可“……为PBMC的传统检测方法提供补充的代谢信息，可优化疾病监测流程、免疫疗法开发进程，以及其他受益于无接触代谢表型分析的应用场景。”
作者在文中指出，PBMC是一类多样化的免疫细胞群体，包括淋巴细胞（T细胞、B细胞、自然杀伤（NK）细胞）和髓系细胞（单核细胞）。“由于其高度的免疫异质性，PBMC可应用于从免疫系统建模到疾病进展监测的众多场景。”
既往测量免疫细胞代谢的技术需要分离单一细胞类型，或添加化学标记物以显示代谢物的存在与否。此外研究团队指出：“……常规流式细胞术不常规检测细胞代谢状态，但与仅检测表面标志物相比，代谢状态可揭示独特的细胞亚群与功能状态信息。”
论文第一作者Jeremiah Riendeau表示，该团队首次通过非破坏性分析方法，在复杂PBMC样本中准确观测到单个免疫细胞的代谢状态。“完成该分析后样本仍可继续使用，”Riendeau表示。他指出，使用其他技术时“如果要研究代谢特征，必须向样本中添加多种试剂，这可能会对细胞产生损伤”。无需破坏样本即可获取免疫细胞及其功能的更多信息，意味着该技术可应用于免疫细胞回输治疗前的细胞活力评估等场景。Skala补充道：“细胞疗法的很多起始原料都是PBMC，如果能在将其加工为细胞疗法产品前评估这些细胞的活力，将具有重要价值。”
为实现非破坏性、超高分辨率成像，研究团队采用Skala实验室首创的光学代谢成像技术，对3名人类志愿者捐献血液中分离的未分化PBMC样本进行检测。研究团队在论文中指出：“OMI依赖内源性对比度来源，这种无标记成像技术无需对样本进行处理，极具应用优势。”
OMI采用高灵敏度显微镜向样本发射2个长波长光子，这类光子不会像短波长光子那样损伤样本，但可产生相同的激发效应。该过程可激发细胞代谢产物的内源性荧光，使研究人员能够判断PBMC处于代谢活跃状态还是静息状态。
在该研究中，研究团队仅在刺激细胞2小时后就实现了93%的检测准确率。此外，该技术分别以96%和88%的准确率特异性识别静息和活化状态的单核细胞，以74%的准确率识别两种状态的自然杀伤（NK）细胞。研究人员表示：“本研究证实OMI可实现单细胞代谢的无标记检测，无需染色即可识别PBMC中的免疫细胞亚群（单核细胞、NK细胞）及早期活化状态（刺激后2小时），可用于高通量代谢筛选。”
尽管采用标记物识别免疫细胞及其代谢状态的方法准确率可达100%，但这项新技术的独特优势在于无需对PBMC进行破坏性处理。这使得OMI适用于长时间监测单细胞行为，同时可保留样本用于后续下游实验。作者指出：“因此，可在进行终点分析前，对完整培养体系中的同一细胞进行多次长时间成像，也可在细胞生产或细胞疗法应用前对细胞进行成像检测。”
PBMC指所有具有单个细胞核的血细胞，主要由免疫细胞即白细胞组成，包括固有免疫系统和适应性免疫系统的细胞。NK细胞、单核细胞等固有免疫细胞的免疫应答不具有特异性，即可对其遇到的所有外源入侵者产生应答，可在感染或癌变细胞造成损害前将其清除。包括各类T细胞、B细胞在内的适应性免疫系统可从既往感染中形成免疫记忆，靶向外源细胞上的特定抗原。
“固有免疫细胞相当于免疫应答的第一响应者，之后适应性免疫细胞会参与应答，通过更具靶向性的方式发挥作用，”Riendeau表示。研究团队在这项新研究中发现，固有免疫细胞的代谢特征最为独特，这很可能是因为它们可对威胁产生高强度应答，快速上调活性水平。而适应性免疫细胞的活化速度更慢，需要具备长时间维持能量供应的能力。不过代谢活性升高并不完全是有益的，在慢性炎症相关疾病中，活化标志物可提示机体出现异常。
“一般而言，机体不希望出现持续的免疫应答，因此血液中的免疫细胞被维持在静息状态。但当出现感染或癌症等其他问题时，就会触发免疫应答，激活代谢通路，”Riendeau表示，“白细胞相对丰度已经被用作诊断生物标志物，加入代谢层面的信息可让我们进一步了解免疫细胞的活化状态。”
Riendeau表示，他们采用OMI的新型分析方法可解析不同细胞类型间的异质性代谢状态。例如，某一免疫细胞亚群可能处于高活化状态，而其他细胞仍保持静息。对整个样本的平均批量检测会掩盖这些差异，无法明确免疫系统对感染的应答特征，也无法判断细胞疗法是否有效治疗癌症。但借助这种可在复杂样本中无损检测单个免疫细胞代谢状态的技术，研究人员可进一步推动我们对机体防御系统的认知。
研究团队在论文中指出：“……本研究首次证实OMI可对人类供体来源PBMC中的活化状态和免疫细胞亚群进行分类。这为检测PBMC中的单细胞代谢状态提供了新工具，可提供无标记代谢信息，更好地监测以免疫活化为特征的疾病（如脓毒症、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎），同时可用于细胞疗法的PBMC筛选（如验证起始细胞和终产品的代谢活力）。”
未来，研究团队希望与医院的合作者共同开发该分析方法的临床应用，为癌症和免疫疾病患者带来更优的诊断与治疗结局。“并非所有实验室都配备双光子显微镜，因此我们目前的部分研究工作旨在让更多实验室能够获取这种无标记代谢信息，”Riendeau表示，“我们实验室与合作者正在推进该技术的商业化，让更多机构能够开展这项检测。我们的理念是，既然我们已经明确了相关样本的检测特征，其他实验室也可以配备该技术开展相关检测。”
专业注释
- 外周血单个核细胞（PBMC）：外周血中含单个细胞核的免疫细胞群体
- 光学代谢成像（OMI）：无标记检测细胞内代谢物荧光的成像技术
- 嵌合抗原受体T（CAR-T）细胞疗法：改造自体免疫细胞的抗肿瘤治疗技术