本文介绍了一项发表于《Nature Biomedical Engineering》的创新研究，开发了一种名为中红外光声显微镜（MiROM）的无标记活细胞成像技术。该技术能够敏感地检测蛋白质二级结构变化，特别是在多发性骨髓瘤治疗中，通过监测β-折叠结构的形成来评估患者对药物的反应。传统方法如流式细胞术或免疫印迹需要荧光标记或大量细胞，且只能提供群体水平的快照信息，而MiROM技术实现了单细胞水平、实时、纵向的评估，仅需少量细胞即可完成。

本研究的核心贡献者包括Francesca Gasparin、Marlene R. Tietje、Eslam Katab、Aizada Nurdinova、Tao Yuan、Andriy Chmyrov、Nasire Uluc、Dominik Jüstel、Florian Bassermann、Vasilis Ntziachristos和Miguel A. Pleitez。文章标题为“Label-free protein-structure-sensitive live-cell microscopy for patient-specific assessment of myeloma therapy”，于2025年7月14日在《Nature Biomedical Engineering》期刊上在线发表。

重要发现
01技术原理与基础验证
MiROM技术基于光声效应原理，通过中红外激光激发生物分子振动，并检测产生的超声波信号来实现成像。与传统中红外光谱不同，MiROM采用正对比机制，即光学吸收越强，超声波信号越强，从而克服了水吸收导致的灵敏度限制。研究团队首先在蛋白质溶液体系中验证了MiROM的特异性，例如血红蛋白（以α-螺旋为主）和伴刀豆球蛋白A（以β-折叠为主）的光谱显示，MiROM能够清晰区分不同二级结构特征，与标准ATR-FTIR光谱结果一致。

进一步地，团队通过热变性实验展示了MiROM检测蛋白质构象变化的能力。白蛋白在天然状态下显示α-螺旋特征峰（1654 cm⁻¹），而变性后出现β-折叠峰（1612 cm⁻¹），这证实了MiROM对蛋白质折叠状态的敏感性。在活细胞应用中，团队使用HeLa细胞在D₂O/H₂O混合培养基中进行成像，发现D₂O比例越高，图像对比度越强，最高可达纯水环境的3.4倍，且细胞活性在70% D₂O中保持93.8%，证明了技术的生物相容性。

通过非负矩阵分解（NMF）分析，团队提取了5个光谱组分，其中组分2（1618 cm⁻¹）和组分4（1666 cm⁻¹）分别对应β-折叠和α-螺旋结构。在治疗组中，β-折叠组分显著增加（96小时后上升174%），而α-螺旋组分下降，进一步验证了MiROM的定量能力。t-SNE聚类分析显示，治疗后细胞光谱与对照组明显分离，突出了技术的单细胞分辨率优势。

创新与亮点
01突破成像难题
MiROM技术解决了传统光学显微镜在蛋白质二级结构检测中的核心瓶颈。可见光区技术缺乏特异性，而常规中红外光谱受水吸收干扰，需使用超薄路径或同步辐射光源，易造成细胞损伤。MiROM通过光声探测机制，将光学吸收转化为声信号，实现了在生理条件下对活细胞的无标记成像。其灵敏度在酰胺I区（1700-1600 cm⁻¹）可达信号变化1%，远高于拉曼显微镜等技术，为蛋白质动态研究提供了新途径。

总结与展望
本研究开发的MiROM技术成功实现了无标记、蛋白质结构敏感的活细胞成像，为多发性骨髓瘤治疗评估提供了高效、微创的新方法。通过检测β-折叠结构作为生物标志物，MiROM能够在单细胞水平实时监测药物响应，克服了传统技术的局限性。未来，通过优化激光参数和成像速度，MiROM可进一步提升灵敏度并扩大应用范围，如用于其他癌症或神经退行性疾病研究。展望中，该技术有望成为临床标准工具，帮助医生快速测试多种药物组合，优化患者特异性治疗方案，最终提升治疗效果并减少患者痛苦。

DOI:10.1038/s41551-025-01443-3.