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正如城市一樣，細胞是一個功能完備的“微觀世界”，一個細胞內(nèi)有多種不同的細胞器負責(zé)物質(zhì)輸運、新陳代謝、基因遺傳、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等功能。細胞器相互作用的研究是人們認識細胞功能、并且了解致病根源的重要途徑；然而當(dāng)前的熒光顯微鏡受限于有限的熒光顏色通道，染色種類，染料的穩(wěn)定性，時間和空間的成像分辨率等因素。

脂膜廣泛存在于亞細胞器中，其形態(tài)、組成和脂質(zhì)相協(xié)同調(diào)節(jié)生物物理膜特性、膜蛋白功能以及脂和蛋白間的相互作用。雖然脂膜在亞細胞器生化功能和互作中扮演著重要角色，但由于其化學(xué)成分類似，不同類型的脂膜的分類、相互作用研究和長時間動態(tài)觀察均十分困難。

最近，北京大學(xué)工學(xué)院席鵬教授研究團隊聯(lián)合南方科技大學(xué)金大勇教授團隊成功開發(fā)了光譜偏振光學(xué)斷層成像技術(shù)（SPOT），結(jié)合親脂探針，從光強、光譜和偏振三個光學(xué)維度分別解析脂膜的形態(tài)、極性和相位，首次實現(xiàn)了細胞內(nèi)10種亞細胞器膜的同時成像并對其脂質(zhì)動力學(xué)進行了分析。這一工作近期發(fā)表在Nature Communications期刊。

相比于現(xiàn)有的其他熒光成像技術(shù)，此次自主研發(fā)的SPOT技術(shù)利用六張原始圖像即可獲得熒光強度、光譜和偏振多個維度信息，成像速度快，可實時觀測亞細胞器的動態(tài)變化。該技術(shù)良好的光學(xué)層切能力同時提高了偏振探測精度和光譜探測精度，首次利用光學(xué)成像技術(shù)得到亞細胞器內(nèi)部的脂質(zhì)異質(zhì)性動態(tài)，對脂質(zhì)極性和位相進行量化觀察。

利用SPOT技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了線粒體內(nèi)脊和外膜的脂質(zhì)異質(zhì)性以及內(nèi)吞體在成熟過程中脂質(zhì)成分的改變。通過實時監(jiān)測，研究人員捕捉到了細胞分裂過程中細胞膜異質(zhì)性的動態(tài)改變，以及TNT形成過程，和線粒體脊消失過程中脂質(zhì)成分的動態(tài)改變。

SPOT監(jiān)測到細胞分裂過程中脂膜的動態(tài)改變

傳統(tǒng)熒光顯微鏡受限于標(biāo)記方法，最多只可進行四種細胞器的同時成像。SPOT突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像維度限制，從三維空間、時間、偏振和光譜六個維度實現(xiàn)高時空分辨率的活細胞成像。通過膜形態(tài)、脂質(zhì)極性和脂質(zhì)相的協(xié)同作用可以對十種亞細胞器同時成像和分類，將為脂質(zhì)組學(xué)和細胞器互作研究再添利器。

南方科技大學(xué)研究助理教授張昊，清華大學(xué)博士生劉文輝和北京大學(xué)博士生李美琪為本工作論文共同第一作者。席鵬、金大勇和張昊為本文的共同通訊作者。本工作受到國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委項目等的資助。

席鵬課題組近年來致力于偏振超分辨成像技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，此前完成的工作包括：（1）開發(fā)偏振偶極子超分辨成像SDOM技術(shù)（Light: Science and Applications 2016），得到Nature Methods的亮點評價（https://doi.org/10.1038/nmeth.4061 ）；（2）將SDOM應(yīng)用于金納米粒子的SERS超分辨成像(Nanoscale 2018)；（3）開發(fā)了減幀SIM技術(shù)來提升結(jié)構(gòu)光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；（4）開發(fā)偏振結(jié)構(gòu)光超分辨成像pSIM技術(shù)(Nature Communications 2019)，得到Nature Methods的亮點評價（https://doi.org/10.1038/s41592-019-0682-6 ）；（5）提升偏振樣本的SIM成像分辨率(Optics Express 2020)，并開發(fā)基于激光干涉和數(shù)字微鏡陣列的低成本SIM技術(shù)(Applied Physics Letters 2020)。這些工作為本工作奠定了堅實基礎(chǔ)。