清華新聞網(wǎng)10月10日電 近年來(lái)，光激活熒光探針（Photoactivatable Fluorophores, PAFs）因具備在活細(xì)胞成像中實(shí)現(xiàn)時(shí)空精確控制的優(yōu)勢(shì)，已成為研究細(xì)胞器動(dòng)態(tài)、蛋白質(zhì)運(yùn)輸及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的重要工具。然而，傳統(tǒng)PAFs多依賴(lài)紫外光激活，存在組織穿透能力弱、光毒性強(qiáng)、自發(fā)熒光干擾大等局限，限制了其在活體及深組織成像中的應(yīng)用。雙光子激發(fā)技術(shù)因具備近紅外激發(fā)、高空間分辨率及低光損傷等特點(diǎn)，為深層組織與活體成像提供了新思路，但開(kāi)發(fā)具有細(xì)胞器特異性靶向能力的雙光子PAFs仍具挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院譚春燕課題組聯(lián)合深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)許乃寒課題組，設(shè)計(jì)并合成了一系列基于4-硝基聯(lián)苯衍生物的細(xì)胞器靶向雙光子光激活熒光探針（PhoRh-Mito, PhoRh-ER, PhoRh-Lyso）。該系列探針通過(guò)引入特定靶向基團(tuán)（如三苯基膦靶向線(xiàn)粒體、苯磺酰胺靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、嗎啉環(huán)靶向溶酶體），實(shí)現(xiàn)了在活細(xì)胞中對(duì)線(xiàn)粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體的高特異性標(biāo)記。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了探針的光物理性質(zhì)、細(xì)胞相容性、光激活效率及其在多種生物樣本中的成像性能。
圖1.PAFs設(shè)計(jì)策略
研究顯示，PhoRh系列探針在未激活狀態(tài)下熒光極弱，經(jīng)405nm單光子或800nm雙光子照射后，發(fā)生光解反應(yīng)，熒光顯著增強(qiáng)（熒光量子產(chǎn)率從0.017提升至0.69）。在HeLa與MCF-7細(xì)胞中，探針展現(xiàn)出快速細(xì)胞攝取、低細(xì)胞毒性及優(yōu)異的共定位性能（Pearson系數(shù)>0.94）。通過(guò)雙光子激發(fā)，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞級(jí)別的時(shí)空可控激活，并追蹤了細(xì)胞器動(dòng)態(tài)變化。
圖2.PhoRh在HeLa細(xì)胞中的亞細(xì)胞定位成像
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)在離體小鼠肝臟、腎臟和心臟組織中驗(yàn)證了PhoRh-Mito的深組織成像能力。雙光子激發(fā)下，探針可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100μm的成像深度，遠(yuǎn)優(yōu)于單光子成像的10μm穿透極限。此外，在荷瘤小鼠模型中，通過(guò)瘤內(nèi)注射PhoRh-Mito，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了皮下腫瘤的高分辨率三維結(jié)構(gòu)成像，清晰呈現(xiàn)了細(xì)胞邊界、微血管網(wǎng)絡(luò)等細(xì)微結(jié)構(gòu)。
圖3.PhoRh-Mito在體外的雙光子成像
圖4.PhoRh-Mito在體內(nèi)的雙光子成像
研究成果以“雙光子光激活熒光探針用于活細(xì)胞和組織水平的細(xì)胞器成像”（Two-Photon Light-Activatable Fluorophores for Organelle Imaging in Living Cells and Tissue-Level Imaging）為題，于9月29日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2025屆博士畢業(yè)生馬壯、2023級(jí)博士生傅章程和2023級(jí)碩士生侯博璇為論文共同第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授譚春燕和深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)副教授許乃寒為論文通訊作者。論文作者還包括清華大學(xué)藥學(xué)院教授蔣宇揚(yáng)、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授譚英等。研究得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和省部共建腫瘤化學(xué)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.5c14442
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
