科研進展簡報

《光:科學與應用》刊發張玉慧教授團隊活細胞超分辨有機熒光探針研究新進展

來源:武漢光電國家研究中心    作者:生物醫學光子學功能實驗室    發布時間:2019年08月19日    浏覽:250次

摘要:8月14日,《光:科學與應用》(Light: Science & Applications)刊發華中科技大學武漢光電國家研究中心張玉慧教授團隊最新研究成果。該論文題為 “Simple and efficient delivery of cell-impermeable organic fluorescent probes into live cells for live-cell superresolution imaging” (一種簡單有效将不透膜有機熒光探針運送到活細胞内用于活細胞超分辨成像的新策略)。

        

        超分辨成像技術是二十一世紀發展最為迅速的研究領域之一。在超分辨成像過程中成像系統和熒光标記物對于最後成像效果都具有至關重要的作用。目前主流的熒光标記物主要分為有機熒光染料和熒光蛋白。基于有機熒光染料構建的有機熒光探針相對于熒光蛋白具有熒光量子産率高、抗光漂白能力強、分子尺寸小和易于改造等諸多優勢。但由于目前商業化的大多數性能優秀的熒光染料(例如Alexa、Atto系列)都因無法透過活細胞的細胞膜而不能用于活細胞标記,所以有機熒光探針在活細胞超分辨成像領域中的應用受到了極大的限制。而張玉慧教授團隊長期緻力于攻克不透膜有機熒光探針進入活細胞并标記亞細胞結構這一難題。

        2014年張玉慧教授團隊率先将細胞穿膜肽(CPPs)引入到有機熒光探針的結構中,實現了對活細胞中微絲、溶酶體等亞細胞結構的超分辨動态成像,相關工作發表于《自然·通訊》(Nature Communications 2014, 5:5573, 1-8及2017, 8:1307, 1-9)。但該技術由于在探針合成中引入了細胞穿膜肽,增加了合成難度,在一定程度上限制了其大範圍推廣。近日張玉慧教授團隊通過對肽型載體的優化、篩選設計出了一種全新的肽型載體PV-1(如圖1a),不透膜有機熒光探針通過與PV-1簡單共孵育即可進入活細胞内,實現對活細胞内亞細胞結構的标記(如圖1b)。這是國際上首次實現不透膜有機熒光探針通過與肽型載體簡單共孵育即可進入活細胞内進行亞細胞結構标記,為解決不透膜有機熒光探針進入活細胞提供了全新的研究思路。由于該策略不需要肽型載體和有機熒光探針共價連接,因此不會增加有機熒光探針的合成難度,所以沒有深厚有機合成背景的實驗室也可以輕松掌握。

        研究人員首先展示了通過優化、篩選得到的肽型載體PV-1可以将标記微管的不透膜有機熒光探針投送到活細胞内并實現特異性标記,且該載體具有投送效率高和低毒性的優點并可用于多種細胞(如圖1c-g)。


圖1 PV-1可以高效投送标記微管的探針進入活細胞内

        通過将22種包含不同顔色能标記不同亞細胞結構(包括:細胞核,微絲、微管、線粒體、溶酶體、内質網)的有機熒光探針投送到活細胞内進一步展示了該策略的普适性。研究人員還進一步展示了利用PV-1和多種有機熒光探針共孵育,可以一次性将多種探針投送到活細胞内實現雙色或三色熒光标記(如圖2)。這對于研究亞細胞結構動态相互作用具有重要意義。

a2

圖2 PV-1可以同時将多種不透膜有機熒光探針投送到活細胞内實現多色标記

        最後,研究人員利用PV-1将多種高性能有機熒光探針投送到活細胞内,結合結構光照明超分辨顯微成像系統實現了對多種亞細胞結構的超分辨動态成像(如圖3a-g),并進一步對内質網和溶酶體進行了雙色、長時程超分辨動态成像,觀察到了超高分辨率的内質網捕獲溶酶體的動态過程(如圖3h-k),這對于研究内質網和溶酶體的相互作用具有重要意義。

a3

圖3 利用結構光照明超分辨顯微成像系統對活細胞亞細胞結構進行動态成像

        該研究工作得到了國家重點基礎研發計劃(973計劃,No.2015CB352002), 國家自然科學基金面上項目(No. 31770924, 61827825, 31600692, 31470056)、國家自然科學基金創新群體項目(61721092)和武漢光電國家研究中心主任基金的大力支持。張玉慧教授為論文通訊作者,博士研究生張朦,李梅花為并列第一作者,張文婷、韓于冰為共同作者參與相關工作。感謝華中科技大學武漢光電國家研究中心張智紅教授、代博雷、華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室宗琪老師和胡哲博士在實驗儀器上的大力支持。


        文章連接:https://www.nature.com/articles/s41377-019-0188-0