中國科大實現活細胞的高分辨低功耗快速拉曼成像

中國科學技術大學工程科學學院Zachary J. Smith教授團隊和華中師范大學化學學院高婷娟教授團隊在拉曼生物成像研究領域取得新進展，提出了一種基于線掃描拉曼成像系統和偶氮增強拉曼探針相結合的快速生物成像方法，實現了對細胞器動態過程的高分辨率、低功耗的影像。相關研究成果于2022年8月15日以“High-resolution low-power hyperspectral line-scan imaging of fast cellular dynamics using azo-enhanced Raman scattering probes”為題在線發表于著名學術期刊《Journal of the American Chemical Society》。

       拉曼成像是一種無標記的單細胞分析技術，能夠從分子水平獲得細胞的結構和組成信息，廣泛應用于生物醫藥研究領域。然而，拉曼散射截面十分微小，通常需要在高激光照度下歷經數小時才能獲得一幀細胞拉曼圖像，無法捕捉到細胞器的時空演變信息。相干拉曼成像技術能夠很大程度提高拉曼信號，但是該方法只能獲得窄帶拉曼光譜信息，需要較強的激光功率，并且設備昂貴。拉曼探針作為另一種拉曼信號增強方法，具有細胞可透過性、靶向性、低毒性等特點，但是常見的炔烴標記的拉曼探針還無法滿足高分辨率的快速細胞動態成像。為此，我們設計了一種動態偶氮增強拉曼成像系統，能夠是實現對細胞器動態過程的高分辨低功耗快速拉曼成像。傳統點掃描自發拉曼成像、相干拉曼成像和動態偶氮增強拉曼成像的比較如圖1所示。

圖1.三種拉曼生物成像技術原理的比較，包括傳統點掃描自發拉曼成像、相干拉曼成像和動態偶氮增強拉曼成像。

       本研究工作采用了一種新型的超靈敏共振拉曼探針，即偶氮增強拉曼散射探針，在極大提高拉曼信號的同時，能夠抑制熒光背景。偶氮增強拉曼探針與傳統的5-乙炔基-2-脫氧尿苷（EdU）相比，相對拉曼強度提高了3-4個數量級（圖2a）。結合我們自主設計的線掃描自發拉曼成像系統，實現對偶氮增強拉曼探針標記后的活細胞中多種細胞器的快速拉曼成像，并且能夠獲得全拉曼光譜（500-3200 cm-1）信息。動態偶氮增強拉曼成像系統在低激光照度下（75 μW/μm2），成像速率最快可以達到3.5秒/幀，共聚焦空間分辨率為270 nm。

圖2.（a）多種拉曼標記物的相對拉曼強度；（b）基于偶氮增強拉曼探針的線粒體、溶酶體和脂滴的同步成像。

       該動態偶氮增強拉曼成像系統用多種拉曼探針對細胞進行同時標記，實現了線粒體、溶酶體和脂滴的同步成像（圖2b）；成功獲取了活細胞中線粒體和溶酶體的快速影像（圖3）；通過溶酶體的影像數據，分析了溶酶體運動的生物物理動態屬性；通過加入解偶聯劑FCCP，研究了線粒體解耦動態過程。該動態偶氮增強拉曼成像系統能夠對細胞器動態過程進行定量且多元的成像，將為生物醫藥的研究提供有力的幫助。

圖3.利用動態偶氮增強拉曼成像系統對活細胞中線粒體和溶酶體的快速成像。

       中國科大工程科學學院特任副研究員于亞軍和華中師范大學化學學院唐浴塵博士為本論文共同第一作者，中國科大Zachary J. Smith教授和華中師范大學高婷娟教授為論文的共同通訊作者，論文作者還包括我校蘇州高等研究院儲開芹研究員。這項研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、中國博士后科學基金等項目的資助支持。