英文原题：
Multimodal Imaging Unveils the Impact of Nanotopography on Cellular Metabolic Activities
通讯作者：
Zeinab Jahed， 加州大学圣地亚哥分校纳米工程系：Lingyan Shi (石玲燕)，加州大学圣地亚哥分校生物工程系
作者：
Zhi Li (李智)，Einollah Sarikhani
纳米尺度表面结构在调控细胞-材料相互作用中展现出巨大潜力。纳米柱基底作为一种由重复排列的自立圆柱体构成的纳米结构，因其高表面积比、良好的生物相容性以及可精确控制的几何特性和材料组成，在生物医学领域具有广泛应用前景。目前，纳米柱平台已被应用于生物分子递送、神经元和心脏电生理学的纳米生物电子器件开发，以及癌症恶性度检测等多个领域。
已有研究表明，与平面基底相比，生长在纳米柱基底上的细胞表现出显著不同的行为。纳米拓扑结构的物理特性能够极大地影响细胞生长、粘附、增殖和分化等行为。科研人员发现纳米柱能改变细胞和细胞核的生物物理特性，例如刚性和铺展面积。然而，纳米柱结构如何影响细胞代谢活动仍未被深入研究。理解这一机制对开发新的生物医学技术具有深远意义，例如， 通过工程化表面调控细胞代谢可以提高细胞治疗效果，改进药物递送系统的设计，并为组织工程开辟新的途径。
近日，
加州大学圣地亚哥分校Zeinab Jahed 助理教授和Lingyan Shi (石玲燕) 副教授在期刊
Chemical & Biomedical Imaging
上合作发表了题为“Multimodal Imaging Unveils the Impact of Nanotopography on Cellular Metabolic Activities“的研究性论文。她们团队
利用多模态光学成像平台研究了在人工纳米柱基底上培养的细胞的代谢活动。该成像平台集成了双光子荧光（TPF）和受激拉曼散射（SRS）显微镜技术，能够在亚细胞尺度上监测并定量细胞的代谢活动 (图1)。
图1. (A) 纳米柱阵列的制备流程及扫描电镜表征; (B) 基于双光子荧光（TPF）和受激拉曼散射（SRS）的多模态光学成像平台，实现了细胞的高分辨三维成像; (C) 利用重水（D₂O）标记和拉曼光谱分析观察了细胞动态代谢活动。
研究发现不同尺寸的纳米柱基底显著地影响了细胞和细胞核的形态特征。与平面基底相比，纳米柱表面上的细胞表现出更小的铺展面积以及圆形度，表明纳米柱促进了细胞的变形和拉伸。有趣的是，虽然细胞核面积也相应减小，但其圆形度反而增加，这表明细胞骨架在维持核完整性方面发挥着重要作用 （图2）。
图2. 纳米柱结构对细胞形态的影响。（A）荧光显微镜图像展示了不同纳米柱结构（d1p2.5、d1p3.5和d2p4.5）表面的细胞形态，细胞骨架（红色）和细胞核（蓝色）;（B-E）细胞面积、细胞圆形度、细胞核面积和细胞核圆形度的定量分析。
在揭示了纳米柱基底对细胞形态的影响后，研究团队进一步探索了这种结构变化如何影响细胞代谢活动。通过多模态成像技术，他们发现生长在纳米柱表面的细胞表现出独特的代谢模式：细胞核区域的氧化还原比率显著降低，表明纳米拓扑结构改变了细胞的氧化应激水平；同时，与平面基底相比，纳米柱表面的细胞显示出更低的蛋白质和脂质合成活性；细胞脂质的不饱和度也发生显著变化，这可能与细胞适应纳米拓扑结构的机械应激有关。这些发现首次揭示了纳米拓扑结构如何通过调控细胞形态进而影响其代谢活动。
图3. 多模态成像揭示纳米柱对细胞代谢的影响。（A）多种代谢物质的三维成像；（B-I）细胞氧化还原状态、蛋白质转换率、脂质转换率和脂质不饱和度的三维成像投影及定量分析；标尺：10μm。
通过对像素级别的多变量分析，研究团队进一步揭示了纳米结构影响细胞代谢的复杂模式。研究发现，纳米柱的几何参数，特别是柱间距，对细胞代谢具有显著影响。较大柱间距(d1p3.5)的导致更低的氧化还原比率，更高的蛋白质和脂质合成，以及更高的脂质不饱和度。UMAP分析清晰地区分了平面和纳米柱表面细胞的代谢特征，表明纳米拓扑结构诱导了系统性的代谢重编程。UMAP和无监督层次聚类分析显示，纳米柱间距比纳米直径对细胞代谢的影响更为显著。这个发现为优化纳米材料设计提供了重要参考。
图4. 细胞代谢特征的多变量分析。（A-C）平面和纳米柱(d1p2.5)表面细胞的代谢特征聚类分析 ;（D-F）不同纳米柱结构(d1p2.5、d1p3.5和d2p4.5)对细胞代谢的影响比较 ;（G-J）相同纳米柱直径，不同纳米柱间距对细胞代谢活动的影响的定量分析。
这项研究利用多模态代谢成像平台首次系统地揭示了纳米拓扑结构对细胞代谢活动的调控作用。研究发现，纳米柱结构不仅改变了细胞和细胞核的形态，还显著影响了细胞的氧化应激水平、蛋白质和脂质代谢等关键生理过程。通过像素级多变量分析发现了纳米柱的几何参数，尤其是柱间距，在调控细胞代谢中起着关键作用。
这些发现为设计和优化纳米材料在生物医学领域的应用开辟了新的途径。通过调控纳米结构参数，我们可以优化药物递送系统的设计，提高细胞治疗的效果，开发新型组织工程支架材料，并设计可以更好地模拟天然细胞微环境的先进培养平台。
相关论文发表在高质量期刊
Chemical & Biomedical Imaging
上，加州大学圣地亚哥分校Zhi Li (李智) 和Einollah Sarikhani为共同第一作者，Zeinab Jahed副教授和Lingyan Shi (石玲燕) 教授为共同通讯作者。
Zeinab Jahed博士在斯坦福大学化学系担任博士后研究员后，于2020年加入雅各布工程学院。她于2018年在加州大学伯克利分校机械工程和生物工程系获得博士学位。在此之前, Zeinab Jahed博士在加拿大滑铁卢大学完成本科学业，期间她在机械工程、机电一体化工程和化学工程系学习。
Zeinab Jahed博士的研究具有高度跨学科性质，跨越工程学和生物科学的多个领域。她获得了多项学术荣誉和奖项。2018年，她成为加拿大班廷博士后奖学金24名获得者之一（位列前0.05%），并在加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）博士后奖学金评选中的化学、生物医学和材料科学与工程委员会评选中位列全国第一。
Dr. Lingyan Shi (石玲燕) 加州大学
石玲燕博士现任加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）Shu Chien-Gene Lay生物工程系副教授。她的研究重点是开发高分辨率光学光谱和成像平台，并将其应用于研究衰老和疾病过程中的代谢动力学。她发现了用于深层组织成像的"黄金窗口"，并开发了生物正交代谢成像平台，该平台结合重水探测和受激拉曼散射技术（使用重水的DO-SRS和D-葡萄糖的STRIDE），用于原位观察代谢活动。石教授团队通过开发基于Adam优化的点彩法反卷积（A-PoD）方法，将受激拉曼散射技术转化为具有化学选择性的超分辨率显微技术，并且拥有六项授权专利。
她曾获得多项重要奖项，包括2018年Blavatnik青年科学家地区奖、2021年Hellman学者奖、《激光焦点世界》和《自然光科学与应用》杂志2021年度"新星奖"、美国研究公司（RCSA）和陈·扎克伯格计划（Chan Zuckerberg Initiative）2021年、2022年和2023年度"生物成像进展Scialog学者"奖，以及2023年斯隆研究学者化学奖。
Chem. Biomed.
Imaging
2024, 2, 12, 825–834
Publication Date: November 18, 2024
https://doi.org/10.1021/cbmi.4c00051
© 2025 The Authors. Co-published by Nanjing University and American Chemical Society
关于
Chemical & Biomedical Imaging
Chemical & Biomedical Imaging
将聚焦单分子、单颗粒、单细胞成像以及新型分子影像探针和活体成像新技术、新方法。内容涵盖光学成像、质谱成像、扫描探针显微成像、磁共振成像、核素成像、成像探针和造影剂、用于原位成像的微流控和纳米流体平台、图像处理和数据分析工具等。发表主题包括：单分子成像，生物相互作用和界面的超分辨成像，单细胞超分辨成像，生物体内化学过程的实时可视化，组织器官和全身成像，分子影像探针与造影剂，医学影像技术，疾病诊疗新方法，化学反应与过程的超分辨成像，化学发光和电化学发光成像，纳米材料的分子尺度成像，用于成像的大数据、人工智能和机器学习等。
Chemical & Biomedical Imaging
旨在服务化学、物理、生物、材料、工程和医学等的交叉学科科研群体，以应对化学与生物医学成像的基础研究和应用的前沿挑战。期刊将发表原创论文、快报、技术说明、综述、展望、观点、以及多样化的短篇社评。
Chemical & Biomedical Imaging
入选2022年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊,目前已被
ESCI,
Scopus, DOAJ, CAS
等数据库收录。
