高婷娟教授研究團(tuán)隊在活細(xì)胞高分辨快速動態(tài)拉曼成像（DAERI）領(lǐng)域取得新進(jìn)展

華大在線訊（通訊員 朱瀟瀟）拉曼散射光譜提供了化學(xué)鍵的振動能級躍遷信息，被廣泛用于生物傳感和細(xì)胞成像。其化學(xué)信息豐富、信號穩(wěn)定，非常適合活細(xì)胞的多色動態(tài)成像。但是，它的靈敏度較低，很難實現(xiàn)低功率激發(fā)的活細(xì)胞高分辨快速動態(tài)成像。近日，我?；瘜W(xué)學(xué)院高婷娟教授與中國科技大學(xué)Zachary Smith教授在國際頂級期刊JACS上發(fā)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(xì)胞高分辨快速動態(tài)拉曼成像（DAERI：dynamic azo-enhanced Raman imaging）的研究成果。DAERI突破了細(xì)胞經(jīng)典拉曼探針位于靜默區(qū)的限制，采用低功率激光（75 μW/μm²）和線掃描方式，實現(xiàn)了對活細(xì)胞多個細(xì)胞器的高分辨（270 nm分辨率）快速動態(tài)（3.5s/frame）全譜（500 - 3200 cm^-1）自發(fā)拉曼成像。中國科技大學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)與性質(zhì)。（b）線掃描自發(fā)拉曼顯微成像裝置。（c）傳統(tǒng)拉曼探針EdU與AERS探針Triazo細(xì)胞成像的靈敏度比較。

此項研究基于設(shè)計搭建的線掃描自發(fā)拉曼成像系統(tǒng)與偶氮增強拉曼探針的結(jié)合。高婷娟教授研究小組于2021年報道了一種分子內(nèi)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(tuán)，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(qū)，在實現(xiàn)共振拉曼效應(yīng)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(tǒng)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(yuǎn)高于細(xì)胞自身信號，使得DAERI不局限于拉曼靜默區(qū)。DAERI通過結(jié)合AERS探針與線掃描自發(fā)拉曼成像系統(tǒng)，在較低的功率下即可實現(xiàn)活細(xì)胞的高分辨快速動態(tài)成像，并且獲得拉曼全譜信息。

圖2.活細(xì)胞線粒體與溶酶體的DAERI成像

圖3.活細(xì)胞溶酶體的生物物理動態(tài)性質(zhì)

DAERI成功獲取了活細(xì)胞中線粒體和溶酶體的快速動態(tài)影像。通過溶酶體的動態(tài)影像數(shù)據(jù)，作者分析了單個溶酶體運動的軌跡以及生物物理動態(tài)屬性。通過加入解偶聯(lián)劑FCCP，作者研究了線粒體解耦的動態(tài)過程。通過使用多種拉曼探針對細(xì)胞進(jìn)行同時標(biāo)記，作者實現(xiàn)了線粒體、溶酶體和脂質(zhì)滴的三色DAERI成像。DAERI對于多種活細(xì)胞過程的多色動態(tài)成像，可為細(xì)胞生物學(xué)、生物物理化學(xué)以及生物醫(yī)藥領(lǐng)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）