近日，我所生物技术研究部分子探针与荧光成像研究组（1818组）徐兆超研究员团队发展双色单分子闪烁比率成像技术（2C-SMBR），在单溶酶体水平同步实现纳米级结构成像与腔内pH准确定量。
溶酶体作为细胞的“化工厂”与“信号枢纽”，其功能高度依赖于腔内pH的精确调控。传统观点认为，溶酶体是均质的酸性细胞器（pH=4.5至5.0），然而，近年研究提示其存在功能异质性。例如，黑色素细胞中的黑素体、免疫细胞中的分泌性溶酶体均具有独特的pH特征，甚至同一细胞内的经典溶酶体也可能因空间位置、运动状态差异而承担不同功能。
解析上述异质性的核心挑战在于技术手段的缺失——传统群体测量方法（例如荧光探针比率成像）只能提供细胞器群体的平均pH值，无法揭示单溶酶体水平的动态差异；而基于单分子定位的超分辨成像虽能追踪单个溶酶体的运动与形态，却难以同步测试腔内pH。徐兆超团队此前开发的LysoSR-549探针（Angew. Chem. Int. Ed.，2022）和Aze-HMSiR（Angew. Chem. Int. Ed.，2025），可通过pH依赖的自发闪烁特性，在单溶酶体水平关联动态行为与相对pH变化。然而，其依赖单色荧光光子数的测量方法易受实验条件（如激发光强度、探针负载量）等环境因素影响，导致单个溶酶体中pH测量不够准确。
在本工作中，研究团队发展的2C-SMBR技术基于两种pH响应特性互补的自发闪烁荧光探针：通过单分子定位显微术（SMLM）分别解析两种探针的空间分布，可重建溶酶体的纳米级结构（分辨率10nm）；同时，利用双色探针闪烁动态的比率分析（如频率、持续时间等参数），消除探针浓度、光漂白等干扰因素，实现单溶酶体pH的精准定量。该技术将单分子定位的超高空间分辨率与比率分析的抗干扰性相结合，传统方法依赖双色信号的空间叠加，而2C-SMBR通过时间分辨的单分子事件关联，确保信号源自同一溶酶体，从而在纳米尺度上同步实现结构成像与功能量化。该技术pH测量动态范围可扩展至4.0至6.0，为活细胞器功能异质性研究提供了兼具精度与可靠性的新工具。
团队应用2C-SMBR技术，取得了一系列新发现：首先，溶酶体pH在单细胞水平呈现高度异质性，单个细胞内同时存在pH跨度达2.0的溶酶体亚群（pH=4.0至6.0），其中核周溶酶体平均pH为4.88，而外围溶酶体平均pH达5.64，且高pH溶酶体运动速度更快、更易形成动态簇集；其次，溶酶体动态行为与pH变化存在实时耦合，单个溶酶体的pH实时发生动态波动，溶酶体运动停顿过程可能担任溶酶体pH变化的拐点。此外，当细胞碱化后大部分外围溶酶体会向核周中心体附近聚集形成新的亚群。
相关研究成果以“Two-Color Single-Molecule Blinking Ratiometricity: A Functional Super-Resolution Imaging Approach for Resolving Lysosomal pH and Dynamics”为题，发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的第一作者是我所1818组乔庆龙副研究员。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、我所创新基金等项目资助。（文/图 乔庆龙、徐兆超）
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503916
