近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子探針與熒光成像研究組研究員徐兆超團(tuán)隊(duì)利用“緩沖”策略，發(fā)展了細(xì)胞內(nèi)脂滴動(dòng)態(tài)識(shí)別熒光探針LD-FG，該探針具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性，可在空間超分辨成像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定成像，從而發(fā)現(xiàn)了多種新的脂滴動(dòng)態(tài)過(guò)程。
脂滴是維持脂質(zhì)和能量穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵細(xì)胞器，由中性脂組成的內(nèi)核及包裹其外的單層磷脂組成。脂滴表面分布著多種蛋白，以調(diào)控脂類的儲(chǔ)存、代謝及脂滴運(yùn)動(dòng)。越來(lái)越多的研究揭示，脂滴具有更多的生理功能，例如抗菌免疫能力、促進(jìn)藥物積累和激活能力、內(nèi)核膜代謝能力、與其他細(xì)胞器相互作用以交換營(yíng)養(yǎng)分子、作為癌癥和衰老大腦神經(jīng)認(rèn)知功能障礙的標(biāo)志物等。盡管對(duì)脂滴功能的機(jī)制缺乏研究，但已證實(shí)這些功能與脂滴生命周期的動(dòng)態(tài)密切相關(guān)。揭示脂滴的動(dòng)態(tài)有助于研究脂滴的功能機(jī)制和發(fā)現(xiàn)新的功能。然而，脂滴的數(shù)量、位置、大小和組成在細(xì)胞之間甚至在同一細(xì)胞內(nèi)可能會(huì)有很大差異，脂滴的生命周期、時(shí)間和位置上也通常不可預(yù)測(cè)且難以觀察。此外，這些事件在脂滴生命周期中的發(fā)生率仍然未知。這種細(xì)胞異質(zhì)性和不可預(yù)測(cè)性要求用于探測(cè)脂滴動(dòng)態(tài)的成像技術(shù)不僅具有對(duì)脂滴的識(shí)別能力，更需要具有較好的空間和時(shí)間分辨率，以及長(zhǎng)時(shí)間的的穩(wěn)定成像能力。
超分辨熒光成像可突破衍射極限實(shí)現(xiàn)最高可達(dá)單分子的空間分辨，但熒光團(tuán)易光漂白而迅速淬滅的問(wèn)題使得超分辨熒光成像一直面臨著時(shí)間分辨率低和成像時(shí)間長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。因此提高熒光團(tuán)的光穩(wěn)定性是超分辨熒光成像面臨的前沿問(wèn)題。
本工作中，徐兆超團(tuán)隊(duì)提出了“緩沖熒光探針”（buffering fluorogenic probe，BFP）的策略來(lái)解決脂滴動(dòng)態(tài)成像中光穩(wěn)定性的問(wèn)題?！熬彌_”策略（buffer strategy）是指在成像過(guò)程中，脂滴內(nèi)部光漂白的熒光探針被外部周圍新的和完整的熒光探針有效取代，即熒光探針交換速率大于漂白速率時(shí)，即可確保脂滴成像的光穩(wěn)定性。該策略要求探針在脂滴外部時(shí)處于熒光淬滅的狀態(tài)，并且在脂滴外具有較高的濃度以保證足夠的緩沖能力。LD-FG有適中的脂溶性保證了既有足夠的分子對(duì)脂滴進(jìn)行熒光染色，同時(shí)又有足夠比例的分子在脂滴外作為緩沖池。緩沖池不僅可以快速補(bǔ)充脂滴中的光漂白探針，保證了長(zhǎng)時(shí)間熒光成像的光穩(wěn)定性，還可以及時(shí)染色細(xì)胞中的新生脂滴，并接收脂滴減小或消亡中釋放到外部的探針。
利用“緩沖”策略開(kāi)發(fā)的LG-FG探針能夠?qū)χ蝿?dòng)態(tài)穩(wěn)定成像
基于LD-FG優(yōu)異的光穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)借助結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡對(duì)脂滴的多種動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了高時(shí)空分辨率的成像，首次發(fā)現(xiàn)了兩種新的脂滴融合模式，包括多個(gè)脂滴的同時(shí)融合和線粒體介導(dǎo)的融合；揭示了細(xì)胞不同區(qū)域和不同細(xì)胞之間的異質(zhì)性；提出脂肪細(xì)胞分化過(guò)程中脂滴成熟的新模型，即首先進(jìn)行快速脂滴融合，接著是緩慢成熟步驟；首次在細(xì)胞中觀察到融合過(guò)程中的啞鈴形中間形態(tài)，證明聚結(jié)（coalescence）并不像以前知道的那樣罕見(jiàn)，而是在細(xì)胞中無(wú)處不在的。
作為最小的生命單元，細(xì)胞是含有細(xì)胞器、分子復(fù)合物和功能單分子的多體系、跨尺度的復(fù)雜系統(tǒng)，不同尺度單元又根據(jù)其位置、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、濃度以及與其他功能單元的動(dòng)態(tài)相互作用，精確、有序和協(xié)調(diào)地執(zhí)行復(fù)雜多樣的細(xì)胞功能，這使得細(xì)胞具有個(gè)體與系統(tǒng)性相統(tǒng)一、異質(zhì)性、高度動(dòng)態(tài)、不確定性等多種特征。團(tuán)隊(duì)期望“緩沖熒光探針（BFP）”的策略可以在未來(lái)用于開(kāi)發(fā)針對(duì)更多不同細(xì)胞內(nèi)生物靶點(diǎn)的光穩(wěn)定探針，最終實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)生物分子全景超時(shí)空分辨動(dòng)態(tài)成像。
相關(guān)成果以“Stable Super-resolution Imaging of lLpid Droplet Dynamics through a Buffer Strategy with a Hydrogen-bond Sensitive Fluorogenic Probe”為題，于近日發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生陳婕和博士后王超。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111052
