我所發展細胞膜緩沖熒光探針實現活細胞質膜形態動力學的超分辨熒光成像

近日，我所生物技術研究部分子探針與熒光成像研究組（1818組）喬慶龍副研究員和徐兆超研究員團隊發展了組裝介導的細胞膜緩沖熒光探針，實現了對細胞質膜的長時間穩定標記和超分辨動態熒光成像，觀察到了質膜絲狀偽足的動態運動和細胞外囊泡的分泌過程，發現了兩種細胞外囊泡的融合模式，為細胞質膜的超分辨動態成像提供了工具。

細胞質膜是將細胞與細胞外環境區分開的磷脂雙分子層結構，在調節物質進出細胞的過程中起著關鍵作用。質膜高度柔性的結構賦予其高度的動態性，能夠動態組裝為各種納米級子結構（2至200nm），如絲狀偽足、細胞外囊泡等。這些子結構在維持細胞完整性、促進信號傳導和通訊等方面起著重要作用。盡管科研工作者對這些納米級子結構的相關研究逐步深入，但是高度的動態性及納米級的尺寸使得原位實時可視化這些質膜子結構的動態行為非常困難，不同功能子結構的形成和融合的具體機制及其異質性仍然不清晰。超分辨熒光成像能夠在納米尺度下原位解析細胞結構，已經成為研究質膜納米結構和功能的有力工具。然而，由于細胞質膜探針光穩定性不足的限制和細胞內化染色的問題，質膜動力學的超分辨熒光成像仍然具有挑戰性。

1818組在前期工作中開發了針對脂滴、溶酶體的“緩沖熒光探針(BFP)”LD-FG（Angew. Chem. Int. Ed.，2021）、LysoSR-549（Angew. Chem. Int. Ed.，2022），克服了熒光染料容易在超分辨成像中光漂白的問題，分別實現了脂滴與溶酶體動力學的長期超分辨率跟蹤，發現了新型脂滴融合過程以及四種溶酶體間相互作用模式。

在本工作中，團隊將不同長度的烷基鏈基團引入到帶負電荷的熒光素中，開發了細胞不可滲透的質膜“緩沖熒光探針”BMP-14和BMP-16。BMP探針能夠形成熒光“暗態”的納米聚集體，從而能夠實現對質膜的特異性“光生”響應。不用長度烷基鏈可以調控探針聚集體與單體之間的解離平衡，以形成穩定的緩沖池。當質膜上的探針發生光漂白，則可以快速招募來自緩沖池的探針，從而保持質膜熒光的穩定性，實現對質膜的長時程超分辨成像。

團隊利用細胞質膜緩沖探針在納米尺度下監測了質膜的多種動態行為，包括絲狀偽足的生長和細胞外囊泡的分泌，監測到細胞外囊泡從絲狀偽足的成熟與脫落過程，持續近11分鐘。同時，團隊也監測到囊泡在細胞膜上的緩慢萌芽過程，該過程可以達到22分鐘以上。此外，團隊發現了鄰近脂質融合與絲狀脂質牽引融合的兩種不同囊泡融合模式。BMP-16優異的緩沖能力以及對質膜高的信噪比，可以通過與質膜實現動態的結合，產生閃爍特性，具備PAINT成像的能力，實現了對質膜的單分子定位成像，定位精度達到36nm。

相關研究成果以“Cell-impermeable Buffering Fluorogenic Probes for Live-cell Super-resolution Imaging of Plasma Membrane Morphology Dynamics”為題，于近日發表在ACS Sensors上。該工作的第一作者為1818組已畢業博士周偉和博士研究生陶奕，以上研究工作得到國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。（文/陶奕 圖/周偉）

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c00486