正如城市一樣，細胞是一個功能完備的“微觀世界”，一個細胞內有多種不同的細胞器負責物質輸運、新陳代謝、基因遺傳、內分泌調節(jié)等功能。細胞器相互作用的研究是人們認識細胞功能，了解致病根源的重要途徑；然而當前的熒光顯微鏡受限于有限的熒光顏色通道、染色種類、染料的穩(wěn)定性、時間和空間的成像分辨率等因素。

脂膜廣泛存在于亞細胞器中，其形態(tài)、組成和脂質相協(xié)同調節(jié)生物物理膜特性、膜蛋白功能以及脂和蛋白間的相互作用。雖然脂膜在亞細胞器生化功能和互作中扮演著重要角色，但由于其化學成分類似，不同類型的脂膜的分類、相互作用研究和長時間動態(tài)觀察均十分困難。

最近，北京大學工學院席鵬教授研究團隊聯(lián)合南方科技大學金大勇教授團隊成功開發(fā)了光譜偏振光學斷層成像技術（SPOT），結合親脂探針，從光強、光譜和偏振三個光學維度分別解析脂膜的形態(tài)、極性和相位，首次實現(xiàn)了細胞內10種亞細胞器膜的同時成像并對其脂質動力學進行了分析。這一工作近期發(fā)表在Nature Communications期刊。

相比于現(xiàn)有的其他熒光成像技術，此次自主研發(fā)的SPOT技術利用六張原始圖像即可獲得熒光強度、光譜和偏振多個維度信息，成像速度快，可實時觀測亞細胞器的動態(tài)變化。該技術良好的光學層切能力同時提高了偏振探測精度和光譜探測精度，首次利用光學成像技術得到亞細胞器內部的脂質異質性動態(tài)，對脂質極性和位相進行量化觀察。

圖1 SPOT實現(xiàn)亞細胞器脂膜異質性分析

利用SPOT技術，研究人員發(fā)現(xiàn)了線粒體內脊和外膜的脂質異質性以及內吞體在成熟過程中脂質成分的改變。通過實時監(jiān)測，研究人員捕捉到了細胞分裂過程中細胞膜異質性的動態(tài)改變，以及TNT形成過程和線粒體脊消失過程中脂質成分的動態(tài)改變。

圖2 SPOT監(jiān)測到細胞分裂過程中脂膜的動態(tài)改變

傳統(tǒng)熒光顯微鏡受限于標記方法，最多只可進行四種細胞器的同時成像。SPOT突破了傳統(tǒng)光學成像維度限制，從三維空間、時間、偏振和光譜六個維度實現(xiàn)高時空分辨率的活細胞成像。通過膜形態(tài)、脂質極性和脂質相的協(xié)同作用可以對十種亞細胞器同時成像和分類，將為脂質組學和細胞器互作研究再添利器。

南方科技大學研究助理教授張昊，清華大學博士生劉文輝和北京大學博士生李美琪為本工作論文共同第一作者。席鵬、金大勇和張昊為本文的共同通訊作者。本工作受到國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金、深圳市科創(chuàng)委項目等的資助。

席鵬課題組近年來致力于偏振超分辨成像技術的開發(fā)與應用，此前完成的工作包括：（1）開發(fā)偏振偶極子超分辨成像SDOM技術（Light: Science and Applications 2016），得到Nature Methods的亮點評價；（2）將SDOM應用于金納米粒子的SERS超分辨成像(Nanoscale 2018)；（3）開發(fā)了減幀SIM技術來提升結構光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；（4）開發(fā)偏振結構光超分辨成像pSIM技術(Nature Communications?2019)，得到Nature Methods的亮點評價；（5）提升偏振樣本的SIM成像分辨率(Optics Express 2020)，并開發(fā)基于激光干涉和數(shù)字微鏡陣列的低成本SIM技術(Applied Physics Letters 2020)。這些工作為本工作奠定了堅實基礎。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19747-0

來源：北京大學新聞網(wǎng)