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具有时空分辨的光控成像技术在生命科学研究中发挥了巨大的作用。受激拉曼散射（SRS）显微镜作为一种振动成像技术，凭借其丰富的分子信息、化学键标记和多通道成像等优势，近年取得了蓬勃的发展。然而多通道可逆光控SRS成像仍未实现
近日，清华大学化学系胡昉昊课题组开发了可逆光开关多通道SRS成像技术，通过耦合不对称二芳基乙烯（DAE）与多炔碳彩虹（Carbow），获得了一系列具有优异性质的光开关拉曼分子，其在可见光照射下发生显著振动频率变化和信号增强，被用于活细胞内高时空选择性多通道成像，为研究复杂生命过程和亚细胞相互作用提供新方法。
图1. 不对称DAE-多炔结构（a）及其优异光开关性质：紫外-可见吸收光谱（b）；光开关转化率（c）；光开关抗疲劳稳定性（d）；SRS频率变化（e）；SRS信号增强（f）。
通过引入不对称杂环，DAE-多炔分子能够在全可见光照射下发生可逆环化反应，闭环最大吸收波长红移至近红外区域 （图1）。而且不对称DAE-多炔化合物表现出高效的光开关转化率（高达90%）和优异的抗疲劳稳定性，在光照数十个循环后具有稳定的信号。同时不对称DAE-多炔在开环和闭环状态呈现不同的拉曼散射频率，频率变化高达24 cm-1，这为可逆光开关SRS检测奠定基础。最后，由于闭环状态的DAE-多炔具有近红外吸收，可产生电子预共振效应，其SRS信号强度比开环状态有显著提升。
图2. Carbow-switch分子结构和16通道光开关拉曼频率
基于不对称DAE-多炔的优异光开关性质，作者通过改变DAE-多炔的封端取代基、三键数目和同位素标记等手段精确调节其拉曼频率，获得一系列具有16个不同开关振动频率的可逆光控探针，将其命名为“Carbow-switch”（图2）。Carbow-switch在可见光照下均产生显著频率变化和信号增强，展示出其在多通道、高特异性光开关SRS成像上的潜力。
图3. 活细胞多通道光控SRS成像研究氧化应激和蛋白质相分离中的亚细胞互作。
作者进一步探索Carbow-switch的活细胞成像，实现了不同细胞器靶向（包括线粒体、溶酶体和细胞膜）的多通道光控SRS成像。Carbow-switch在活细胞中保持了优异的生物相容性和光开关性能。最后，作者还实现活细胞中高时空选择性的光控多通道SRS成像。通过Carbow-switch标记特定细胞器并利用时序SRS成像，作者追踪了活细胞在氧化应激条件下的线粒体聚集、相邻细胞间的溶酶体迁移和细胞内蛋白质相分离过程中溶酶体互作等动态过程（图3）。高时空选择性的光控多通道SRS成像技术为研究多组分细胞过程提供了新的手段。
该研究发展了多通道可逆光开关SRS成像技术，巧妙地将多炔碳彩虹与不对称二芳基乙烯结构耦合，通过协同调节分子吸收光谱和振动光谱，获得位于细胞静默区间的16个光控拉曼频率Carbow-switch，通过细胞器靶向实现了活细胞内高时空选择的可逆光开关多通道SRS成像，并选择性追踪细胞器在氧化应激、细胞间运输和蛋白质相分离过程中的相互作用。这一技术的开发为研究复杂细胞环境中具有时空分辨的动态过程和亚细胞互作提供了有力的工具。
该研究成果近期发表在Nature Communications上，论文第一作者为博士研究生杨月利，博士研究生白雪杨为该工作做出重要贡献，通讯作者为胡昉昊副教授。
论文信息：
Photoswitchable polyynes for multiplexed stimulated Raman scattering microscopy with reversible light control
Yueli Yang, Xueyang Bai and Fanghao Hu
Nat. Commun., 2024, 15, 2758. DOI: 10.1038/s41467-024-46904-6
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