线粒体作为细胞的“动力工厂”，在细胞代谢和能量供应中扮演着至关重要的角色。线粒体的功能与其内膜（Inner mitochondrial membrane, IMM）的脂质组成和动态变化密切相关。近年来，多种荧光成像技术，尤其是荧光寿命成像（Fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM）, 在细胞膜脂质动态和异质性研究中发挥了重要作用。然而，受限于荧光探针和光学衍射极限，对线粒体内膜环境的超分辨、跨尺度观测仍然是一个巨大的挑战。
近日，北京大学未来技术学院席鹏教授团队与河北大学高保祥教授团队合作在 Advanced Science 杂志发表了题为 HB immCue : A versatile fluorescent probe for multi-scale imaging of lipid polarity and membrane order in inner mitochondrial membrane 的研究论文。该研究开发了一种新型近红外荧光探针——HBimmCue，该探针能够特异性地靶向线粒体内膜，并通过荧光寿命的变化报告脂质极性和膜序的变化，进而反映线粒体功能和细胞呼吸水平。通过多尺度成像，研究团队揭示了线粒体在不同生物系统中的环境和功能多样性，为深入探索线粒体在健康和疾病中的动态变化奠定了基础。
通过体外实验，研究团队验证了HBimmCue的荧光寿命对溶剂极性和膜序的敏感性：HBimmCue在低极性、有序的膜环境中表现出较长的荧光寿命，而在高极性、无序的膜环境中荧光寿命较短。此外，HBimmCue具有优异的光稳定性、生物相容性和组织渗透性，能够与多种超分辨率成像（如STED和SIM）兼容。
基于HBimmCue的优越性能，研究者在不同尺度上探究了线粒体膜环境和线粒体功能的关系。在纳米尺度上，通过STED-FLIM成像，研究团队首次在纳米尺度上揭示了单个线粒体内膜不同区域的脂质极性差异：与线粒体内边界膜（Inner Boundary Membrane , IBM）相比，内嵴（cristae）因更高的脂质极性和活跃的电子传递链，表现出更短的荧光寿命。
在亚细胞和细胞层面，研究者发现，与健康的线粒体相比，被溶酶体清除的线粒体表现出较长的荧光寿命，表明其脂质极性降低。此外，在神经元中，HBimmCue的荧光寿命在胞体（soma）和神经突（neurite）之间也存在显著差异：神经突的荧光寿命较短，这可能与神经突中更强的线粒体有氧呼吸水平相关。此外，在两种线粒体疾病模型——慢性进行性外眼肌麻痹（CPEO）和线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和卒中样发作（MELAS）中，HBimmCue在也表现出更长的荧光寿命，进一步揭示了线粒体功能障碍与疾病的关联。
进一步地，研究团队还利用HBimmCue检测了衰老卵母细胞中的线粒体功能变化。结果显示，老年小鼠的卵母细胞中线粒体的荧光寿命显著增加，表明其脂质极性和膜序发生了改变，这与卵母细胞质量的下降和生育能力的减弱密切相关。
此外，研究团队将HBimmCue应用于小鼠着床前胚胎发育的代谢重编程研究。HBimmCue在不同发育时期的胚胎、以及同一胚胎的不同细胞中，均呈现出差异性的荧光寿命分布，特别是在二细胞期和囊胚期，这表明线粒体膜环境的变化与胚胎的代谢需求，及细胞的分化和命运决定密切相关。
HBimmCue作为一种新型荧光探针，为研究线粒体环境和功能提供了强大工具。这一研究成果不仅推动了线粒体生物学的发展，还为代谢疾病、神经退行性疾病和生殖医学等领域的研究提供了新的思路和方法。
北京大学未来技术学院席鹏教授、河北大学化学与环境科学学院高保祥教授、北京大学生命科学学院李美琪博士为论文的共同通讯作者。北京大学未来技术学院博士研究生高姝为论文第一作者。河北大学已毕业硕士生孙婧，北京大学博士研究生侯宜伟、石铭、郑弘熙，北京艾锐精仪公司工程师盖希川等也做出了重要贡献。北京大学生命科学学院张研教授为本文提供了重要帮助。研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。