导读
近日，深圳大学医学光子学创新研究院在脂滴（lipid droplet，LD）微环境的单脂滴代谢动态成像研究方面取得新进展。相关研究成果发表于学术期刊《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》。
团队开发出具有显著极性响应特征的氮/硫共掺杂碳点（N/S-codoped carbon dots，NSCDs），并通过多种代谢扰动微环境验证其对单个脂滴极性相关微环境变化的动态表征能力。研究发现，在SR59230A处理诱导的脂滴极性扰动下，连续动态成像捕捉到脂滴发生类似融合的局部重塑事件，并伴随局部荧光响应变化。该研究为解析同一细胞内不同脂滴在代谢状态变化过程中的微环境异质性与动态重塑提供了新的荧光分析工具。
硕士研究生吴嘉伟和杨思琳为共同第一作者，宋军教授、郭嘉庆老师为论文通讯作者，深圳大学为独立完成单位。
1. 研究背景
脂滴并不是简单的“脂肪仓库”。它由中性脂质核心和磷脂单分子层构成，既参与能量储存与动员，也与膜稳态、细胞应激和多种疾病相关过程密切相关。更重要的是，脂滴内部并非静态、均一。当细胞经历饥饿、脂质积累或脂质合成受阻时，脂滴的组成、分子排列以及局部极性微环境都会同步发生重塑。
这里的“极性”可以理解为脂滴局部环境中分子相互作用和介电性质的一种综合表征。它与中性脂质组成、分子堆积状态和细胞代谢状态密切相关。因此，相比只统计脂滴数量或尺寸，进一步读取单个脂滴的微环境变化，有助于从更细尺度理解脂质代谢重编程。
现有脂质分析多依赖总体样品、终点检测或群体平均信号。总体和终点分析虽然能够反映脂质代谢的整体趋势，但难以保留同一细胞内不同脂滴之间的空间差异，也难以连续追踪单个脂滴在代谢变化过程中的动态响应。极性响应型荧光探针可以将脂滴局部微环境变化转化为光学信号，因此，结合脂滴特异定位、稳定成像和单脂滴定量分析，有望进一步观察不同脂滴的微环境异质性及其随代谢状态发生的动态变化。
2. 技术创新
针对代谢扰动过程中单个脂滴微环境的动态表征需求，研究团队以环境敏感型尼罗蓝（Nile Blue）和L-半胱氨酸为前体，通过一步溶剂热法构建极性响应型氮/硫共掺杂碳点（NSCDs）。该探针利用其荧光对局部极性环境变化的敏感性，将脂滴内部微环境变化转化为可监测的光学信号，并依托其对中性脂质环境的良好适配实现脂滴优先成像。进一步结合统一的单脂滴图像分割和面积归一化荧光分析，降低脂滴尺寸差异对信号比较的直接影响，再配合时间序列成像持续记录单个脂滴的运动、微环境响应及局部重塑过程，从而实现由细胞整体表征向单脂滴尺度、动态微环境分析的拓展。
图1 NSCDs设计及其用于单脂滴极性相关微环境响应与融合样重塑监测的整体示意图
3. 验证与应用成果
研究团队首先通过光物理实验验证了NSCDs对环境极性的显著响应。随着环境极性升高，NSCDs荧光强度逐渐降低，并伴随约80 nm的发射红移，表明其能够将局部极性变化转化为明显的光学信号。同时，NSCDs在连续光照及不同pH、离子强度条件下保持较好的信号稳定性，为后续活细胞成像提供了基础。
在活细胞中，NSCDs能够快速进入细胞并优先定位于脂滴，与商业脂滴探针LipiD-Blue的Pearson相关系数达到0.83。进一步的时间序列成像表明，NSCDs不仅可以清晰记录不同脂滴的运动轨迹，还能够支持单个脂滴的持续观察，为分析同一细胞内不同脂滴的动态差异提供了条件。(图2)
图2 NSCDs对单个脂滴的长时间动态追踪
在营养缺乏、油酸诱导脂质积累以及三酰甘油合成抑制等不同代谢扰动下，单个脂滴表现出不同的荧光响应，反映其极性相关微环境随代谢状态发生变化。进一步在SR59230A处理诱导的极性扰动下，连续成像捕捉到多个类似脂滴融合的局部重塑事件，并伴随局部荧光响应变化，显示出NSCDs在单脂滴动态微环境分析和局部重塑观察中的应用潜力。(图3-4)
图3 不同代谢扰动下单个脂滴的极性微环境响应
图4 SR59230A处理过程中脂滴局部动态重塑的原位监测
4. 研究总结
该研究构建了从材料制备、极性响应验证，到活细胞脂滴定位、单脂滴长期追踪及代谢扰动成像的完整实验体系。所开发的NSCDs兼具脂滴优先定位、显著极性响应和良好成像稳定性，可在单脂滴尺度持续记录其微环境变化与动态行为。研究发现，不同代谢扰动可引起单个脂滴呈现差异化荧光响应，并在SR59230A处理过程中捕捉到类似脂滴融合的局部重塑事件，揭示了脂滴微环境随代谢状态变化而发生的动态异质性。总体而言，该工作将脂滴研究从“整体平均表征”进一步推进到“单脂滴、动态、微环境”尺度，为理解细胞如何通过脂滴进行脂质缓冲、代谢适应与局部重塑提供了新的成像视角，也为复杂代谢过程中的细胞器异质性研究提供了可拓展的分析工具。
项目支持
本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技计划、深圳大学医工交叉研究基金等支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1386142526013235?via%3Dihub=
