真核细胞糖基化在细胞识别和信号传导中发挥着关键的作用，尤其对肿瘤的发生、发展及转移有着重要影响，是肿瘤诊断与治疗的潜在靶点。目前的细胞糖基化检测往往依赖于细胞表面糖基的分离提取与标记检测技术，过程复杂且缺乏原位定量信息。因此，亟需构建一种特异性的无标记传感检测系统，实现单个细胞表面糖基化的原位直接检测与动态定量监测。

基于上述背景，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院张芬妮研究员团队基于表面等离子共振成像技术，结合凝集素与细胞表面糖基的相互作用动力学识别分析方法，实现了单细胞表面多种糖基的原位成像检测与定量分析，为细胞生物学研究和疾病诊断提供了新的工具。相关内容以“In-situ profiling of glycosylation on single cells with surface plasmon resonance imaging”为题在《Nature Communication》杂志上在线发表。

研究人员通过耦合表面等离子共振技术与单细胞成像系统，成功构建了一种基于棱镜的表面等离子共振成像系统（SPRi，见图1a），用于单细胞表面分子相互作用的时空分辨成像检测。该系统具有高灵敏、无标记、实时成像等优势，能够精确捕捉细胞表面糖基与其识别分子（如凝集素）之间的相互作用，将分子结合过程转化为等离子共振图像强度的实时变化，获取单细胞表面糖基原位分布信息及其动力学曲线。

图1：基于表面等离子共振成像系统的单细胞糖基化原位定量分析示意图

基于上述高灵敏成像系统，研究人员采用不同种类凝集素探针（如WGA、SBA和ConA）识别并结合单细胞表面的多种糖基（如GlcNAc、Sialic Acid、GalNAc、Gal、Man和Glc等），并实时追踪单个细胞与不同凝集素的相互作用过程，获取各个凝集素与细胞糖基的实时结合动力学曲线。为了提高单一凝集素的检测特异性，研究人员进一步建立了基于凝集素-糖基结合动力学模型的分子识别方法，通过拟合单个凝集素与细胞的实时结合动力学曲线，解析分子结合模式，区分并鉴定特异性凝集素-糖基结合对。如图2所示，基于上述方法，成功鉴定了HeLa细胞表面不同糖基种类及其动力学结合模式。该方法的创新之处在于通过动力学模型区分不同糖基与凝集素的结合对，从而实现糖基的特异性识别。

图2：单个HeLa细胞表面不同凝集素-糖基相互作用的结合动力学测定

在凝集素-糖基动力学检测与识别的基础上，研究人员进行了单细胞表面糖基分布的定量分析。基于SPR的质量敏感原理，研究人员能够通过动态平衡信号来定量细胞表面糖基化的密度。利用该技术，不仅能够检测单个细胞的糖基化状态，还能够揭示不同细胞之间的糖基表达异质性（图3）。该定量分析为研究细胞表面糖基化的生物学功能提供了重要工具。

图3：单个HeLa细胞表面六种不同糖基的定量检测

在此基础上，研究团队进一步应用该技术对不同发展阶段的肿瘤细胞进行糖基化分析，揭示了肿瘤细胞在癌前、癌变以及转移过程中的糖基化模式变化。通过检测与分析正常细胞Hacat、癌前病变细胞DOK、舌鳞癌细胞Cal-27、转移灶细胞HSC-3等四种口腔肿瘤细胞的表面糖基化模式，研究者实现了不同肿瘤细胞的高效聚类与区分（图4），为不同阶段肿瘤诊断与预后评估提供了新的思路。

图4：不同肿瘤细胞表面糖基化定量检测与聚类分析

这项研究为单细胞尺度糖基化的无标记实时原位检测提供了创新性的解决方案，在细胞识别、信号传导以及肿瘤生物学研究中具有广泛的应用潜力。此外，这一技术也将推动糖基化在疾病诊断、靶向治疗等领域的广泛应用。

浙江大学生物医学工程与仪器科学学院张芬妮研究员为该论文通讯作者，博士生刘笑音为第一作者。该论文得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重点项目以及浙江大学基础科研项目等项目的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56390-z

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