近日，南方科技大学生物医学工程系讲席教授金大勇研究团队和北京大学教授席鹏研究团队成功开发了光谱偏振光学断层成像技术（SPOT），结合亲脂探针，从光强、光谱和偏振三个光学维度分别解析脂膜的形态、极性和相位，首次实现了细胞内10种亚细胞器膜的同时成像并对其脂质动力学进行了分析。研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）。

      正如我们的城市一样，细胞是一个功能完备的“微观世界”，一个细胞内有多种不同的细胞器负责物质输运、新陈代谢、基因遗传、内分泌调节等功能。细胞器相互作用的研究是我们能认识细胞功能，并且了解致病根源的重要途径；然而当前的荧光显微镜受限于有限的荧光颜色通道，染色种类，染料的稳定性，时间和空间的成像分辨率等因素，为进一步探寻亚细胞器脂膜异质性等带来阻碍。

      脂膜广泛存在于亚细胞器中，其形态、组成和脂质相协同调节生物物理膜特性、膜蛋白功能以及脂和蛋白间的相互作用。虽然脂膜在亚细胞器生化功能和互作中扮演着重要角色，但由于其化学成分类似，不同类型的脂膜的分类、相互作用研究和长时间动态观察均十分困难。

      相比于现有的其他荧光成像技术，这次自主研发的SPOT技术利用六张原始图像即可获得荧光强度、光谱和偏振多个维度信息，成像速度快，可实时观测亚细胞器的动态变化。该技术良好的光学层切能力同时提高了偏振探测精度和光谱探测精度，首次利用光学成像技术得到亚细胞器内部的脂质异质性动态，对脂质极性和位相进行量化观察。

图 1 SPOT实现亚细胞器脂膜异质性分析

利用SPOT技术，研究人员发现了线粒体内脊和外膜的脂质异质性以及内吞体在成熟过程中脂质成分的改变。通过实时监测，研究人员捕捉到了细胞分裂过程中细胞膜异质性的动态改变，以及TNT形成过程，和线粒体脊消失过程中脂质成分的动态改变。

图 2 SPOT监测到细胞分裂过程中脂膜的动态改变

图 3 线粒体嵴消失过程中脂膜的动态变化

      传统荧光显微镜受限于标记方法，最多只可进行四种细胞器的同时成像。SPOT突破了传统光学成像维度限制，从三维空间、时间、偏振和光谱六个维度实现高时空分辨率的活细胞成像。通过膜形态、脂质极性和脂质相的协同作用可以对十种亚细胞器同时成像和分类，将为脂质组学和细胞器互作研究再添利器。

      南方科技大学研究助理教授张昊为本文共同第一作者和共同通讯作者，一直以来致力于偏振超分辨成像技术的开发与应用，此前完成的工作包括：（1）开发偏振偶极子超分辨成像SDOM技术（Light: Sci. Appl. 2016），得到Nat. Methods的亮点评价；（2）开发偏振结构光超分辨成像pSIM技术（Nat. Commun. 2019），得到Nat. Methods的亮点评价；（3）提升偏振样本的SIM成像分辨率（Opt. Express. 2020），并开发基于激光干涉和数字微镜阵列的低成本SIM技术（Appl. Phys. Lett. 2020）。

      本文共同第一作者还有清华大学博士生刘文辉和北京大学博士生李美琪。本研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金、深圳市科创委项目等的资助。