【儀表網 研發快訊】近日，大連化學物理研究所生物技術研究部分子探針與熒光成像研究組(1818組)徐兆超研究員、喬慶龍副研究員團隊發現，脂水分配系數——Clog P決定了熒光染料對脂滴(LD)的染色性能，Clog P值在2.5到4之間的熒光染料可以在脂滴外部形成緩沖池，取代脂滴內的光漂白染料，以保持脂滴中的恒定熒光強度，從而實現脂滴的動態超分辨率成像。團隊在Clog P的指導下，開發出四種不同顏色的緩沖脂滴探針，涵蓋可見光譜范圍。
活細胞的超分辨率熒光成像越來越需要能夠進行多色和長時間動態成像的熒光探針，了解探針-靶標識別的機制對于此類探針的工程開發至關重要。脂滴作為細胞內脂質儲存與能量代謝的核心細胞器，扮演著響應代謝需求、解讀環境信號并維護細胞穩態的關鍵角色。它們不僅承載著脂質儲備的基本功能，還廣泛參與信號傳導及多種疾病進程，其生物學重要性不言而喻。然而，可視化脂滴的動態行為面臨挑戰，主要是因為它們體積小、變化快、異質性強、在細胞環境中不可預測等。傳統成像技術，通常難以實時可視化如此精細且動態的脂滴世界。這需要在納米尺度上觀察脂滴之間、脂滴與其他細胞器之間的相互作用，以及需要長期成像來探索完整的、以前未知的脂滴動態過程。因此，研發高性能脂滴熒光探針尤為重要，它們應兼具高靈敏度、卓越時空分辨率及抗光漂白的特性，以實現長期超分辨率成像。
針對以上挑戰，研究團隊提出了緩沖探針來解決超分辨率成像中的光漂白問題(ACS Sens.，2024；Anal. Chem. ，2024；Adv. Sci.，2024)：一旦目標結構內的探針發生光漂白，儲存在附近的熒光探針就可以有效地取代漂白的探針，以確保穩定的熒光信號與長時間穩定的超分辨率成像。研究團隊開發的脂滴緩沖熒光探針LD-FG解決了脂滴動態超分辨成像中的光漂白問題(Angew. Chem. Int. Ed.，2021)，從而發現了脂滴各種動態過程，包括兩種新的脂滴融合模式，以及不同細胞區域和不同細胞之間的異質性。
在此基礎上，本研究利用Clog P引導開發多色的脂滴緩沖探針，并發現Clog P值在2.5至4之間的熒光染料對脂滴染色具有最優的緩沖能力。團隊以Clog P為評價標準，系統地篩選了包括萘二甲酰亞胺、NBD、BODIPY衍生物等一系列熒光染料，發現了四種不同顏色的脂滴緩沖熒光探針，分別為LD-BFP405、LD-BFP450、LD-BFP488和LD-BFP543。這些探針具有中等脂溶性，可以實現脂滴的免洗成像，且具有較高的光穩定性，適用于多目標超分辨熒光成像。團隊利用這些脂滴緩沖探針，使用結構化照明顯微鏡(SIM)，追蹤了脂滴動力學在細胞鐵死亡過程中的作用，包括過表達的ACSL3蛋白的分泌、儲存和降解。研究發現，在鐵死亡期間，過表達的ACSL3蛋白可能以囊泡形式分泌到細胞質中，脂滴通過膜融合與這些囊泡相互作用，作為表達蛋白的儲存位點。此外，這些蛋白質可能進一步與溶酶體等細胞器相互作用，或通過脂吞噬降解以維持細胞穩態。這些探針不僅增強了科研工作者可視化脂滴動態的能力，而且有望加深對細胞過程和疾病下脂滴生物學的理解。
相關研究成果以“Clog P-Guided Development of Multi-Colored Buffering Fluorescent Probes for Super-Resolution Imaging of Lipid Droplet Dynamics”為題，于近日發表在《先進科學》(Advanced Science)上。該工作的第一作者為我所1818組已畢業博士研究生陳婕，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支持。(文/圖 喬慶龍、陳婕)
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