高婷娟教授研究團隊在活細胞高分辨快速動態拉曼成像（DAERI）領域取得新進展

華大在線訊（通訊員 朱瀟瀟）拉曼散射光譜提供了化學鍵的振動能級躍遷信息，被廣泛用于生物傳感和細胞成像。其化學信息豐富、信號穩定，非常適合活細胞的多色動態成像。但是，它的靈敏度較低，很難實現低功率激發的活細胞高分辨快速動態成像。近日，我校化學學院高婷娟教授與中國科技大學Zachary Smith教授在國際頂級期刊JACS上發表文章（High-resolution low-power hyperspectral line-scan imaging of fast cellular dynamics using azo-enhanced Raman scattering probes https://doi.org/10.1021/jacs.2c06275），闡述了基于偶氮增強的活細胞高分辨快速動態拉曼成像（DAERI：dynamic azo-enhanced Raman imaging）的研究成果。DAERI突破了細胞經典拉曼探針位于靜默區的限制，采用低功率激光（75 μW/μm²）和線掃描方式，實現了對活細胞多個細胞器的高分辨（270 nm分辨率）快速動態（3.5s/frame）全譜（500 - 3200 cm^-1）自發拉曼成像。中國科技大學特任副研究員于亞軍博士和我校唐浴塵博士為共同第一作者，高婷娟教授與中國科技大學Zachary J. Smith教授為共同通訊作者。

圖1. DAERI的原理示意。（a）偶氮增強拉曼探針的結構與性質。（b）線掃描自發拉曼顯微成像裝置。（c）傳統拉曼探針EdU與AERS探針Triazo細胞成像的靈敏度比較。

此項研究基于設計搭建的線掃描自發拉曼成像系統與偶氮增強拉曼探針的結合。高婷娟教授研究小組于2021年報道了一種分子內拉曼增強的新方法偶氮增強拉曼散射（AERS：azo-enhanced Raman scattering,ACS Cent. Sci., 2021, 7, 768?780）。AERS通過共軛連接偶氮苯與振動基團，增加電子能級與振動能級的耦合程度，紅移分子吸收峰至可見區，在實現共振拉曼效應的同時抑制了熒光背景，大幅提高了拉曼散射強度。相較于傳統的拉曼探針，AERS探針的信號強度提高了10²-10⁴倍。由于AERS探針的高靈敏度，其信號遠高于細胞自身信號，使得DAERI不局限于拉曼靜默區。DAERI通過結合AERS探針與線掃描自發拉曼成像系統，在較低的功率下即可實現活細胞的高分辨快速動態成像，并且獲得拉曼全譜信息。

圖2.活細胞線粒體與溶酶體的DAERI成像

圖3.活細胞溶酶體的生物物理動態性質

DAERI成功獲取了活細胞中線粒體和溶酶體的快速動態影像。通過溶酶體的動態影像數據，作者分析了單個溶酶體運動的軌跡以及生物物理動態屬性。通過加入解偶聯劑FCCP，作者研究了線粒體解耦的動態過程。通過使用多種拉曼探針對細胞進行同時標記，作者實現了線粒體、溶酶體和脂質滴的三色DAERI成像。DAERI對于多種活細胞過程的多色動態成像，可為細胞生物學、生物物理化學以及生物醫藥領域提供新穎、有力的研究手段。

課題組鏈接：

高婷娟：http://chem.ccnu.edu.cn/info/1060/1191.htm

ZacharySmith：http://staff.ustc.edu.cn/~zsmith/

（審讀人：郭彥炳）