線粒體作為細胞的“動力工廠”，在細胞代謝和能量供應中扮演著至關重要的角色。線粒體的功能與其內膜（Inner mitochondrial membrane, IMM）的脂質組成和動態變化密切相關。近年來，多種熒光成像技術，尤其是熒光壽命成像（Fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM）, 在細胞膜脂質動態和異質性研究中發揮了重要作用。然而，受限于熒光探針和光學衍射極限，對線粒體內膜環境的超分辨、跨尺度觀測仍然是一個巨大的挑戰。

近日，北京大學未來技術學院席鵬教授團隊與河北大學高保祥教授團隊合作在Advanced Science 雜志發表了題為“HBimmCue  : A versatile fluorescent probe for multi-scale imaging of lipid polarity and membrane order in inner mitochondrial membrane”的研究論文。該研究開發了一種新型近紅外熒光探針——HBimmCue，該探針能夠特異性地靶向線粒體內膜，并通過熒光壽命的變化報告脂質極性和膜序的變化，進而反映線粒體功能和細胞呼吸水平。通過多尺度成像，研究團隊揭示了線粒體在不同生物系統中的環境和功能多樣性，為深入探索線粒體在健康和疾病中的動態變化奠定了基礎。

通過體外實驗，研究團隊驗證了HBimmCue的熒光壽命對溶劑極性和膜序的敏感性：HBimmCue在低極性、有序的膜環境中表現出較長的熒光壽命，而在高極性、無序的膜環境中熒光壽命較短。此外，HBimmCue具有優異的光穩定性、生物相容性和組織滲透性，能夠與多種超分辨率成像（如STED和SIM）兼容。

基于HBimmCue的優越性能，研究者在不同尺度上探究了線粒體膜環境和線粒體功能的關系。在納米尺度上，通過STED-FLIM成像，研究團隊首次在納米尺度上揭示了單個線粒體內膜不同區域的脂質極性差異：與線粒體內邊界膜（Inner Boundary Membrane , IBM）相比，內嵴（cristae）因更高的脂質極性和活躍的電子傳遞鏈，表現出更短的熒光壽命。

在亞細胞和細胞層面，研究者發現，與健康的線粒體相比，被溶酶體清除的線粒體表現出較長的熒光壽命，表明其脂質極性降低。此外，在神經元中，HBimmCue的熒光壽命在胞體（soma）和神經突（neurite）之間也存在顯著差異：神經突的熒光壽命較短，這可能與神經突中更強的線粒體有氧呼吸水平相關。此外，在兩種線粒體疾病模型——慢性進行性外眼肌麻痹（CPEO）和線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒和卒中樣發作（MELAS）中，HBimmCue在也表現出更長的熒光壽命，進一步揭示了線粒體功能障礙與疾病的關聯。

進一步地，研究團隊還利用HBimmCue檢測了衰老卵母細胞中的線粒體功能變化。結果顯示，老年小鼠的卵母細胞中線粒體的熒光壽命顯著增加，表明其脂質極性和膜序發生了改變，這與卵母細胞質量的下降和生育能力的減弱密切相關。

此外，研究團隊將HBimmCue應用于小鼠著床前胚胎發育的代謝重編程研究。HBimmCue在不同發育時期的胚胎、以及同一胚胎的不同細胞中，均呈現出差異性的熒光壽命分布，特別是在二細胞期和囊胚期，這表明線粒體膜環境的變化與胚胎的代謝需求，及細胞的分化和命運決定密切相關。

HBimmCue作為一種新型熒光探針，為研究線粒體環境和功能提供了強大工具。這一研究成果不僅推動了線粒體生物學的發展，還為代謝疾病、神經退行性疾病和生殖醫學等領域的研究提供了新的思路和方法。