生物硫醇，包括谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）和同型半胱氨酸（Hcy），在许多生理和病理过程中起着关键作用。这些内源性含硫化合物对于维持体内氧化还原平衡、调节细胞内信号通路以及参与生物防御机制至关重要[1]、[2]。这些生物硫醇浓度的变化与多种疾病的发病机制密切相关。异常的谷胱甘肽（GSH）水平与多种病理状况有关，例如神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）、肝脏功能障碍和癌症[3]、[4]；半胱氨酸（Cys）水平降低会导致生长不良、肝脏损伤、生长迟缓、嗜睡等多种疾病[5]、[6]；同型半胱氨酸（Hcy）水平升高与阿尔茨海默病和心血管疾病的发病风险增加密切相关，表明其可能是这些疾病的致病因素[7]、[8]。线粒体作为细胞内的能量供应器官，配备了多种自由基清除剂，保护细胞免受氧化应激的损害。其中，线粒体内的谷胱甘肽（GSH）库是细胞内的重要抗氧化剂储备。因此，监测生物硫醇水平，特别是线粒体内的GSH水平，对于评估疾病进展和实现早期诊断至关重要[9]、[10]。
由于基于荧光的方法具有较高的灵敏度、易于使用且与动态生物系统兼容，它们已成为实时追踪活体样本中生物分子不可或缺的工具[2]、[11]、[12]、[13]、[14]。在过去几十年中，基于不同分子识别机制的方法被报道用于选择性区分GSH和Cys/Hcy，包括硫醇介导的磺酰胺和磺酸酯键的断裂[15]、[16]、迈克尔加成[17]、[18]、亲核取代[19]、[20]以及二硫键的硫醇介导断裂[21]、[22]。然而，由于GSH和Cys/Hcy具有几乎相同的官能团和相似的亲核性，实现它们的选择性检测仍然面临重大分析挑战。最近，通过利用它们不同的发射光谱特征，人们在区分谷胱甘肽（GSH）和半胱氨酸/同型半胱氨酸（Cys/Hcy）方面取得了显著进展[20]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。尽管能够区分GSH和Cys/Hcy，但这些早期研究未能实现在线粒体内选择性可视化GSH。此外，为了解决疏水性探针聚集的问题，这些研究需要有机溶剂或乳化剂的辅助，这不可避免地增加了活细胞或组织的潜在毒性。
据我们所知，用于线粒体GSH检测的化学探针相对较少[29]、[30]、[31]、[32]。设计线粒体锚定探针的一般方法是将各种阳离子引入荧光染料中，经典的阳性化学基团包括三苯基磷onium、吡啶inium和七甲胺盐等。然而，引入这些基团可能会改变荧光染料的物理化学性质，并不总能达到预期的靶向效果[33]、[34]。在持续开发用于线粒体GSH检测的新方法过程中，我们注意到层状双氢氧化物（LDH）这种天然带正电的六面体材料表现出优异的线粒体靶向能力[35]、[36]。此外，关于用于细胞内传感和递送的非球形颗粒的报道仍然很少[37]。受此启发，我们合理推测，负载有正电荷LDH的荧光探针也可能表现出强大的线粒体锚定能力[38]。此外，先前的研究表明，负载有层状纳米材料的亲水性化学物质可以显著减少其聚集，从而提高其生物效应[39]、[40]。在这里，我们利用层状LDH的纳米结构充分隔离了疏水性探针，提高了其溶解性，便于进行细胞和体内成像实验。
受到这些想法的启发，我们采用了先前报道的一种近红外荧光探针（DCPO-NBD，参考文献[41]），通过醚键将二氰亚甲基-4H-吡喃（DCPO）发色团与4-氯-7-硝基苯并呋喃（NBD）结合。该探针在光照下不会发生NBD部分向DCPO发色团的电子转移而产生荧光；在亲核硫醇存在下，基于DCPO的发色团会释放出约695纳米处的荧光。Cys/Hcy会引起分子内重排反应，产生约560纳米处的NBD-N-Cys/Hcy发色团。然而，由于巯基旁边缺乏氨基，GSH无法发生类似的分子内重排。通过对DCPO-NBD进行LDH修饰，得到了纳米探针LDH@DCPO-NBD，它能够在活细胞中实现GSH的优异可视化（图1）。值得注意的是，LDH@DCPO-NBD纳米探针能够有效跟踪内源性和外源性GSH，为研究GSH相关病理提供了新的工具。综上所述，结合化学探针和LDH纳米材料的优点，我们的工作通过双通道机制成功区分了GSH和Cys/Hcy，并实现了具有优异线粒体定位能力的GSH可视化。
