中国科大实现活细胞的高分辨低功耗快速拉曼成像

中国科学技术大学工程科学学院Zachary J. Smith教授团队和华中师范大学化学学院高婷娟教授团队在拉曼生物成像研究领域取得新进展，提出了一种基于线扫描拉曼成像系统和偶氮增强拉曼探针相结合的快速生物成像方法，实现了对细胞器动态过程的高分辨率、低功耗的影像。相关研究成果于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”为题在线发表于著名学术期刊《Journal of the American Chemical Society》。

拉曼成像是一种无标记的单细胞分析技术，能够从分子水平获得细胞的结构和组成信息，广泛应用于生物医药研究领域。然而，拉曼散射截面十分微小，通常需要在高激光照度下历经数小时才能获得一帧细胞拉曼图像，无法捕捉到细胞器的时空演变信息。相干拉曼成像技术能够很大程度提高拉曼信号，但是该方法只能获得窄带拉曼光谱信息，需要较强的激光功率，并且设备昂贵。拉曼探针作为另一种拉曼信号增强方法，具有细胞可透过性、靶向性、低毒性等特点，但是常见的炔烃标记的拉曼探针还无法满足高分辨率的快速细胞动态成像。为此，我们设计了一种动态偶氮增强拉曼成像系统，能够是实现对细胞器动态过程的高分辨低功耗快速拉曼成像。传统点扫描自发拉曼成像、相干拉曼成像和动态偶氮增强拉曼成像的比较如图1所示。

图1.三种拉曼生物成像技术原理的比较，包括传统点扫描自发拉曼成像、相干拉曼成像和动态偶氮增强拉曼成像。

本研究工作采用了一种新型的超灵敏共振拉曼探针，即偶氮增强拉曼散射探针，在极大提高拉曼信号的同时，能够抑制荧光背景。偶氮增强拉曼探针与传统的5-乙炔基-2-脱氧尿苷（EdU）相比，相对拉曼强度提高了3-4个数量级（图2a）。结合我们自主设计的线扫描自发拉曼成像系统，实现对偶氮增强拉曼探针标记后的活细胞中多种细胞器的快速拉曼成像，并且能够获得全拉曼光谱（500-3200 cm-1）信息。动态偶氮增强拉曼成像系统在低激光照度下（75 µW/µm2），成像速率最快可以达到3.5秒/帧，共聚焦空间分辨率为270 nm。

图2.（a）多种拉曼标记物的相对拉曼强度；（b）基于偶氮增强拉曼探针的线粒体、溶酶体和脂滴的同步成像。

该动态偶氮增强拉曼成像系统用多种拉曼探针对细胞进行同时标记，实现了线粒体、溶酶体和脂滴的同步成像（图2b）；成功获取了活细胞中线粒体和溶酶体的快速影像（图3）；通过溶酶体的影像数据，分析了溶酶体运动的生物物理动态属性；通过加入解偶联剂FCCP，研究了线粒体解耦动态过程。该动态偶氮增强拉曼成像系统能够对细胞器动态过程进行定量且多元的成像，将为生物医药的研究提供有力的帮助。

图3.利用动态偶氮增强拉曼成像系统对活细胞中线粒体和溶酶体的快速成像。

中国科大工程科学学院特任副研究员于亚军和华中师范大学化学学院唐浴尘博士为本论文共同第一作者，中国科大Zachary J. Smith教授和华中师范大学高婷娟教授为论文的共同通讯作者，论文作者还包括我校苏州高等研究院储开芹研究员。这项研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省科技重大专项、中国博士后科学基金等项目的资助支持。