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【Cell】熬夜“伤肝”，究竟“伤”在哪？科学家用“彩虹时间”相机，亲眼看到了细胞死亡的全过程
一、你的每一次熬夜，细胞都在经历一场“灾难大片”
我们都听过无数遍“熬夜伤身”，但这种“伤害”究竟是什么样的？它看不见，摸不着，似乎只是一种模糊的健康警告。直到今天，我们可能才有了“亲眼目睹”这场细胞级灾难的机会。
想象一下，当你深夜不眠，刷着手机时，你身体里的每一个细胞可能正在经历一场风暴。有的细胞因为能量供应不上而“罢工”，有的则在氧化应激的“枪林弹雨”中挣扎，甚至走向死亡。这个过程复杂而混乱，细胞核、线粒体、内质网……这些我们中学课本里学过的细胞器，它们之间是如何相互作用，又是如何一步步走向崩溃的？
过去，科学家想看清这一切，就如同想在人山人海的春运火车站里，同时追踪好几个不同目的地的旅客一样困难。传统的荧光显微镜技术，就像给旅客穿上不同颜色的衣服，比如去北京的穿红色，去上海的穿绿色。但颜色就那么几种，想同时追踪七八个甚至更多目标，颜色就不够用了，很容易“看串了行”。这极大地限制了我们对复杂生命过程的理解。
然而，来自西湖大学张鑫教授团队的一项突破性研究，彻底改变了游戏规则。他们在顶级期刊《细胞》（Cell）上发表了一篇名为《时间分辨荧光蛋白拓展荧光显微镜的时间与光谱维度》的论文 ，为我们带来了一套全新的“生命摄像系统”。这套系统不仅能分辨“颜色”，还能分辨“时间”，让我们得以用前所未有的清晰度，去观察细胞内部繁忙而有序，或是在压力下混乱崩溃的世界。
这项技术的核心，是一种被他们称为**“时间分辨荧光蛋白”（tr-FPs）**的神奇工具 。
二、给生命打上“时间邮戳”：不仅仅是五颜六色
要理解这项技术的革命性，我们得先聊聊它的前辈——荧光蛋白。自从发现绿色荧光蛋白（GFP）的科学家获得诺贝尔奖以来，用不同颜色的荧光蛋白标记细胞内的特定分子，就成了生物学研究的常规操作。这就像是在黑暗的细胞宇宙中，点亮一颗颗不同颜色的星星，让科学家能够追踪蛋白质的行踪。
然而，正如前面提到的，可见光的颜色是有限的，光谱重叠的问题让科学家们很快就遇到了瓶颈 。我们想同时观察细胞凋亡过程中，细胞核的变化、线粒体的损伤、内质网的应激、高尔基体的解体、溶酶体的反应……仅仅用几种颜色是远远不够的。
张鑫团队的科学家们跳出了“颜色”的思维定势，引入了一个全新的维度——荧光寿命 。
什么是荧光寿命？我们可以打个比方。想象你在夜晚看到许多盏灯，它们不仅颜色不同（红、绿、蓝），而且每一盏灯闪烁后，从亮到灭的持续时间也不同。有的灯“啪”一下就灭了，只亮了1纳秒；有的灯则会慢慢变暗，持续亮了5纳秒。
这个“持续时间”，就是荧光寿命（Fluorescence Lifetime!） 。它是一个荧光分子被激发后，在激发态停留的平均时间，是一个内禀的、稳定的物理特性 。
有了这个概念，一切就变得豁然开朗。我们不仅可以给细胞里的不同蛋白质贴上“红色”“绿色”的颜色标签，还可以给它们贴上“亮1纳秒”“亮3纳秒”“亮5纳秒”的时间标签 。这样一来，即便两个蛋白质都是绿色的，只要它们的荧光寿命不同，我们就能在显微镜下把它们清晰地区分开来。
“颜色”（光谱）和“持续时间”（寿命），这两个维度一结合，就像给原本平面的照片加上了3D效果，信息的丰富度呈指数级增长。科学家们将这种新的成像方式称为**“时间-光谱”联用显微技术** 。
三、巧夺天工的“分子手术”：如何随心所欲地调控“时间”？
有了这个绝妙的想法，下一个问题就是：如何才能创造出这样一群荧光寿命各不相同，且能覆盖整个可见光谱的荧光蛋白呢？
这就要提到这项研究最核心、最巧妙的工程策略了。荧光蛋白的发光，依赖于其内部一个被称为“生色团”的核心分子结构 。这个生色团就像灯泡里的灯丝。研究团队发现，生色团在被激发后会发生非常快速的旋转运动，这种运动会以非辐射（不发光）的形式消耗掉一部分能量，从而影响荧光寿命的长短 。
他们的核心策略是：通过改变生色团周围的氨基酸“微环境”，来控制它的旋转。
这就像是给一个陀螺（生色团）旋转的地面设置不同的障碍物。如果周围空间很拥挤，障碍物很多（特定的氨基酸），陀螺就转不起来，能量更多地以光的形式释放，荧光寿命就长。反之，如果把周围的障碍物挪开，让空间变得宽敞，陀螺就能自由旋转，更多能量通过非辐射途径耗散掉，荧光寿命就变短了 。
通过对距离生色团6埃（1埃 = 0.1纳米）范围内的氨基酸进行饱和突变筛选 13，研究团队就像进行着一场场精密的“分子手术”，最终成功地创造出了一整套“时间分辨荧光蛋白彩虹工具箱” 。这个工具箱里包含了从蓝色到红色，覆盖整个可见光谱的28个成员，它们的荧光寿命可以精确地在1到5纳秒之间调控，而且这种寿命特性非常稳定，无论把它们送到细胞的哪个角落，表现都基本一致 。
这就像是拥有了一套包含各种颜色、各种亮度衰减速度的“生命颜料”，为描绘复杂的生命画卷提供了前所未有的可能。
四、现场直播细胞“生死劫”：我们看到了什么？
拥有了这套强大的“彩虹时间”相机，科学家们首先就将镜头对准了文章开头提到的那个终极问题——细胞是如何死亡的？他们选择了两种经典的细胞死亡模式进行观察：铁死亡（ferroptosis）和氧化应激（oxidative stress） 。
这两种死亡方式，都与我们日常生活息息相关。比如，一些神经退行性疾病、缺血性损伤与铁死亡有关；而我们常说的熬夜、压力、环境污染等导致的身体损伤，很大程度上就是通过氧化应激实现的。
在过去，我们只能在某个时间点，像拍照片一样，看到细胞死亡后的“遗照”。而现在，研究团队在同一个活细胞内，同时标记了9个不同的细胞器和结构蛋白，进行了一场长达数小时的4D（三维空间+时间）延时摄影 。
直播开始了，震撼的场面上演：
在铁死亡中：细胞最先出现的反应是体积的迅速收缩 。随后，作为细胞内“能量工厂”和“生产车间”的内质网，开始急剧地收缩、断裂并形成大量空泡，仿佛一座正在崩塌的工厂 。紧接着，线粒体也从正常的条状碎裂成颗粒状 。尤其引人注目的是，高尔基体也发生了惊人的崩溃，这暗示着细胞内的“物流中心”可能也极易受到铁死亡的攻击 。整个过程，就像一场由内而外、以膜系统破坏为核心的精准爆破。
在氧化应激中：细胞展现了截然不同的“死法” 。最显著的变化发生在细胞骨架（如同房屋的钢筋）和细胞核（指挥中心），它们在短短15分钟内就开始迅速降解 。这表明，氧化应激产生的“自由基”是无差别的攻击手，直接破坏了细胞最核心的结构和遗传物质 。
通过这种多目标、长时间的动态观察，科学家们首次如此清晰地分辨出不同死亡路径下，细胞内部各部件响应的先后顺序和独特模式。这些直观的视觉证据，为理解相关疾病的机制和开发新的治疗药物，提供了宝贵的线索。
五、从“看热闹”到“精细活”：tr-FPs 的更多“神操作”
这套“彩虹时间”工具箱的威力远不止于此。它还解锁了许多过去难以想象的“精细活”。
1. 单色光搞定细胞周期监控，还能“一心二用”
细胞周期，即细胞从一次分裂完成到下一次分裂结束所经历的过程，是生命最基本的核心节律。传统的细胞周期指示剂（如Fucci系统）需要两种不同颜色的荧光蛋白（比如红和绿）来分别标记不同时期，这直接占用了两个宝贵的光谱通道 。
而利用tr-FPs，研究团队开发出了全新的tr-Fucci系统 。他们巧妙地设计了多个荧光寿命不同的青色荧光蛋白，用它们来标记细胞周期的不同阶段。这样一来，只需要一个青色通道，通过分析荧光寿命的变化，就能精准地判断细胞处于G1、S、G2还是M期 。
这有什么好处呢？它解放了其他颜色通道！科学家们可以在监控细胞周期的同时，用绿色和红色的探针去观察其他生命活动，比如细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）的活性 。他们发现，CDK2和CDK4/6这两种关键的调控蛋白，在细胞周期中的活跃模式有着微妙而重要的区别 。这种将核心生命节律与其他动态事件关联起来分析的能力，是前所未有的。
2. 超高分辨率下的“四色同堂”
普通光学显微镜受到衍射极限的限制，分辨率只能达到约200纳米，这让我们无法看清许多精细的细胞结构。STED超高分辨率显微镜技术打破了这一限制，让我们能看到更小的世界。
现在，tr-FPs与STED技术强强联合，催生了STED-FLIM 。研究团队开发了适用于STED的tr-FP版本，成功地在同一个细胞中，用一个光谱通道，同时以超高分辨率分辨出了两种不同的结构——线粒体和微管 。更进一步，他们结合其他探针，实现了四种不同蛋白质的超高分辨率同时成像 。这就像是用一台超高清摄像机，在纳米尺度上，同时拍摄一部由四个主角出演的“细胞大片”。
3. 给细胞里的“零件”做人口普查
一个复杂的机器，比如一台汽车发动机，其高效运转不仅需要各种零件，还需要这些零件之间保持精确的数量比例。细胞也是如此，细胞核孔复合物（NPC）是细胞核的“大门”，由多种核孔蛋白（NUP）构成，它们之间的精确比例至关重要。
过去，想在活细胞里精确“清点”这些蛋白质的数量比例，非常困难。而tr-FPs提供了一种绝妙的解决方案。利用荧光寿命可以进行线性拆分的特性，研究团队建立了一个数学模型，能够通过测量混合荧光信号的平均寿命，精确反推出两种不同寿命的荧光蛋白标记的蛋白质的化学计量比（stoichiometric ratio） 。
他们用这种方法，成功测定了细胞核孔蛋白NUP96和NUP107的比例约为1.1，与之前的研究结果高度吻合 。这项技术，为在单细胞水平上精确量化蛋白质机器的组成，打开了一扇新的大门。
六、结语：开启一个“看得更清、看得更多”的生命科学新纪元
从最初只能分辨寥寥几种颜色，到如今拥有一个“光谱+时间”双重维度的“彩虹时间”工具箱，张鑫团队的这项工作，不仅仅是一次技术的升级，更是一场观察生命范式的革命 。
它让我们能够同时追踪的生命事件数量翻倍甚至更多 37，让我们能将细胞最核心的节律与各种功能事件精准地关联起来 38，让我们能在纳米尺度上分辨前所未见的多彩世界 39，甚至还能对细胞内的分子进行“定量普查” 。
对于我们普通人而言，这意味着科学家们有了更强大的武器，去探索癌症、神经退行性疾病、衰老等复杂疾病的深层机制。今天我们能亲眼“直播”细胞的死亡过程，明天或许就能更精准地找到干预和拯救它们的办法。
这项源于基础研究的突破，也必将对未来的生物医药、新药研发、以及像飞秒科技这样的高端科学仪器产业产生深远的影响。一个能够“看得更多、看得更清”的时代已经来临，生命最深处的奥秘，正以前所未有的清晰度，展现在我们眼前。
📕文章信息： Tan et al., Time-resolved fluorescent proteins expand fluorescent microscopy in temporal and spectral domains, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.08.035