基于1,8-萘酰亚胺衍生物的荧光探针具有较大的斯托克斯位移,可用于动态监测细胞器之间的相互作用

时间:2026年1月27日
来源:Talanta

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荧光探针设计用于实时监测细胞中脂滴和溶酶体的极性变化及动态相互作用,具有大斯托克斯位移(210 nm)和长发射波长(601 nm),并验证了其在氧化应激、药物处理及病理刺激下的应用潜力。

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李龙坤|林琪|孙茹|徐旭|甘文娟|葛建峰
苏州大学化学、化学工程与材料科学学院,仁爱路199号,苏州,215123,中国

摘要

具有长波长和大斯托克斯位移的荧光探针是观察活细胞中脂滴(LDs)和溶酶体动态变化的有效工具。然而,传统的1,8-萘酰亚胺探针受到其相对较短发射波长的限制。因此,通过将1,8-萘酰亚胺衍生物作为电子受体与9,10-二氢吖啶作为电子供体结合,设计出了三种具有扭曲分子内电荷转移(TICT)效应的极性响应荧光探针2a-2c,分别针对不同的细胞器。这三种探针2a-2c均表现出显著的斯托克斯位移(约210纳米),长发射波长(高达601纳米),以及0%–40%、0%–70%和0%–60%的水分含量范围内的极性响应。随着溶剂极性的增加,它们的荧光强度显著降低(18至22倍),发射波长红移(71至95纳米)。它们在复杂的生理环境中表现出优异的光稳定性和pH稳定性以及选择性。此外,探针2a-2b能够实时监测氧化应激(H2O2)和氯喹(CQ)处理过程中脂滴和溶酶体极性的变化。另外,它们还能在脂多糖(LPS)或二甲基亚砜(DMSO)刺激下动态追踪活细胞中的细胞器相互作用(融合、分裂和迁移)。这些结果突显了探针2a-2b在研究细胞器微环境及其在疾病相关过程中的作用方面的适用性。

引言

作为关键的动态细胞器,脂滴(LDs)和溶酶体在细胞代谢、稳态和病理过程中起着核心作用[1,2]。调节脂滴的大小和数量,以及它们的生物合成和降解过程,对于维持代谢平衡至关重要[1,3]。同样,作为含有酸性水解酶的主要消化细胞器,溶酶体会不断改变其形态和空间分布以执行内吞作用和外吞作用等基本功能[4]。因此,开发能够实时监测这些细胞器行为(例如,分布、形态和动态活动)[5]的生物工具对于推进新型治疗策略至关重要。
近年来,由于具有高选择性、灵敏度和快速响应[9,10],小分子荧光探针已成为研究生物过程和疾病的强大工具[[6], [7], [8]],能够精确追踪细胞器。具有大斯托克斯位移的长波长发射探针特别理想,因为它们可以减少背景干扰、更深地穿透组织并最小化自我吸收[[11], [12], [13], [14]],非常适合用于可视化和监测细胞器动态。1,8-萘酰亚胺衍生物是一类荧光染料,由于其结构可修饰性、合成多样性和优异的光稳定性[[15], [16], [17], [18]],在细胞成像领域受到了广泛关注。然而,大多数研究都集中在其高荧光量子产率上,而斯托克斯位移和发射波长等特性则相对较少受到关注。
例如,极性敏感的探针NCT[19]通过哌嗪连接剂合理结合了两种萘酰亚胺和香豆素,使其能够在线粒体内发出绿色光,并具有高荧光量子产率。在另一项工作中,通过向萘酰亚胺核心引入酰胺键和长烷基链,设计了一系列针对高尔的基质的探针[20],同样注重高量子产率。尽管具有这些优势,但大多数现有探针的有限斯托克斯位移(约80–150纳米)和发射光谱(450–550纳米)在一定程度上限制了它们在高分辨率、高精度生物成像中的广泛应用。此外,实时监测不同生理条件下的细胞器动态(如相互作用)仍然是一个需要进一步探索的领域。因此,基于1,8-萘酰亚胺核心结构,通过引入9,10-二氢吖啶供体修饰,成功设计并合成了三种极性响应荧光探针2a-2c。评估了这些探针的光学性质和极性敏感性,并研究了它们对不同生理刺激下极性变化和细胞器动态的特异性靶向能力。

材料与方法

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合成与表征

探针2a-2c是根据方案1中概述的路线合成的。如图所示,探针2a-2c可以通过两步反应轻松合成。然而,即使在优化了反应条件(包括溶剂系统和催化剂用量)后,探针2b-2c的产率仍然相对较低。

设计与合成

选择1,8-萘酰亚胺衍生物作为电子受体(A)基团。为了获得更长的发射波长,选择了富含电子的9,10-二氢吖啶作为电子供体(D)基团。其与萘酰亚胺受体的共轭结构在激发时诱导了强烈的分子内电荷转移(ICT)效应[21],导致分子偶极矩显著高于基态。在高度极性的环境中,激发态分子可以形成

结论

总之,通过引入9,10-二氢吖啶作为辅助色素,成功开发了基于1,8-萘酰亚胺的探针2a-2c,其中探针2a-2b能够高精度地靶向脂滴和溶酶体。探针2a-2b对极性的特异性响应能力得到了验证,同时具有大的斯托克斯位移(约210纳米)和长发射波长等特性。此外,通过荧光成像,探针2a-2b不仅反映了

CRediT作者贡献声明

李龙坤:撰写——原始草稿,可视化,验证,方法学,研究。林琪:可视化,验证,方法学。孙茹:资源提供,方法学。徐旭:资源提供,方法学。甘文娟:资源提供,方法学。葛建峰:监督,资源获取,资金筹措。

创新性声明

本研究提出了基于1,8-萘酰亚胺衍生物的极性敏感荧光探针,具有显著的斯托克斯位移(约210纳米)和长发射波长(601纳米)。这克服了之前报道的同类型探针的局限性,后者具有较短的发射波长和不足的斯托克斯位移。实验结果表明,这些探针能够特异性地靶向脂滴和溶酶体,从而能够追踪它们的动态生理变化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号21977078)和苏州市科学技术基金(项目编号SZM 2022014)的资助。

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