南科大金大勇團隊打造光學多維度超分辨「街景地圖」

2020-11-19 南方科技大學

近日，南方科技大學生物醫學工程系講席教授金大勇研究團隊和北京大學教授席鵬研究團隊成功開發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、極性和相位，首次實現了細胞內10種亞細胞器膜的同時成像並對其脂質動力學進行了分析。研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）。

正如我們的城市一樣，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、內分泌調節等功能。細胞器相互作用的研究是我們能認識細胞功能，並且了解致病根源的重要途徑；然而當前的螢光顯微鏡受限於有限的螢光顏色通道，染色種類，染料的穩定性，時間和空間的成像解析度等因素，為進一步探尋亞細胞器脂膜異質性等帶來阻礙。

脂膜廣泛存在於亞細胞器中，其形態、組成和脂質相協同調節生物物理膜特性、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，但由於其化學成分類似，不同類型的脂膜的分類、相互作用研究和長時間動態觀察均十分困難。

相比於現有的其他螢光成像技術，這次自主研發的SPOT技術利用六張原始圖像即可獲得螢光強度、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，對脂質極性和位相進行量化觀察。

圖 1 SPOT實現亞細胞器脂膜異質性分析。

利用SPOT技術，研究人員發現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改變。

圖 2 SPOT監測到細胞分裂過程中脂膜的動態改變

圖 3 線粒體嵴消失過程中脂膜的動態變化

傳統螢光顯微鏡受限於標記方法，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高時空解析度的活細胞成像。通過膜形態、脂質極性和脂質相的協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。

南科大為論文的第一通訊單位，金大勇團隊成員、生物醫學工程系研究助理教授張昊為本文共同第一作者和共同通訊作者。他一直以來致力於偏振超分辨成像技術的開發與應用，此前完成的研究包括：開發偏振偶極子超分辨成像SDOM技術，得到Nat. Methods的亮點評價；開發偏振結構光超分辨成像pSIM技術，得到Nat. Methods的亮點評價；提升偏振樣本的SIM成像解析度，並開發基於雷射幹涉和數字微鏡陣列的低成本SIM技術。

本文共同第一作者還有清華大學博士生劉文輝和北京大學博士生李美琪。本研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京市自然科學基金、深圳市科創委項目等的資助。


相關連結：

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

https://doi.org/10.1038/s41467-019-12681-w

https://doi.org/10.1038/nmeth.4061

https://10.1038/s41467-019-12681-w

https://doi.org/10.1038/s41592-019-0682-6

https://doi.org/10.1364/OE.395092

https://doi.org/10.1063/5.0008264

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