《AFM》：红光发射AIE探针用于对细胞器的动态超分辨成像

来源：高分子科学前沿

溶酶体在细胞内分解衰老、损伤的细胞器、吞噬并杀死病毒或细菌等方面发挥着重要作用。溶酶体功能障碍与各种疾病相关—溶酶体储积病、遗传性疾病、类风湿性关节炎，甚至休克[1]。此外，作为细胞中最复杂的细胞器之一，线粒体为各种生命活动提供能量，参与细胞分化和细胞凋亡等过程，实现对细胞功能的调节[2]。因此，监测溶酶体和线粒体在细胞内的动态变化是至关重要的。尽管在对细胞器成像方面已经取得了一定的进展，但是目前大多都是采用共聚焦显微镜对活细胞中溶酶体和线粒体的形貌和活动进行观察。由于光学衍射极限的存在，普通的共聚焦显微镜的分辨率在200 nm左右，难以实现对细胞器超微结构的动态观察。最近发展起来的超分辨成像显微镜则提供了一种突破光学衍射极限的成像手段，实现了对细胞器动态变化的超分辨率观察。然而，部分商用细胞器靶向探针由于存在聚集诱导荧光淬灭（ACQ）、斯托克斯位移较小以及光稳定性差等问题，很难满足超分辨成像探针的要求。因此，发展光物理/化学性质优异的超分辨成像细胞器靶向探针至关重要。

2020年12月18日，首都师范大学徐珍珍副教授、付红兵教授（天津大学分子+研究院兼职教授）和北京大学基础医学院心血管研究所郑乐民教授合作在Advanced Functional Materials期刊上在线发表了题为Red AIE Luminogens with Tunable Organelle Specific Anchoring for Live Cell Dynamic Super Resolution Imaging的文章。该研究设计并合成了两种分别具有溶酶体和线粒体靶向的高亮度红光发射聚集诱导发光（AIE）探针，得益于探针较大的斯托克斯位移和良好的光稳定性，探针被应用于活细胞中溶酶体和线粒体的动态超分辨成像当中，并实现了65.6 nm 的分辨率，为后续超分辨成像探针的设计和细胞器相关的生理过程研究提供了一定的指导，并有望代替市售溶酶体和线粒体靶向探针。

该研究团队利用AIE材料生物相容性好、易修饰等特性，选取反丁烯二腈作为母体结构,通过靶向基团的修饰分别得到了溶酶体特异性探针PIZ-CN和线粒体特异性探针PID-CN。

图：PIZ-CN和PID-CN探针的化学结构以及对溶酶体和线粒体的超分辨成像

与商用的溶酶体和线粒体靶向探针相比，PIZ-CN和PID-CN具有高亮度的红光发射、大斯托克斯位移以及良好的光稳定性等优异性能,因此实现了对溶酶体和线粒体的高信噪比成像。

图A)：PIZ-CN和商用溶酶体靶向探针Lysotracker Red DND-99对细胞进行共染；B):PID-CN和商用线粒体靶向探针Mitotracker Deep Red FM对细胞进行共染；C): PIZ-CN和Lysotracker Red DND-99在光照下的稳定性比较；D):PID-CN和Mitotracker Deep Red FM在光照下的稳定性比较;E和G):PIZ-CN和Lysotracker Red DND-99的成像信噪比比较；F和H): PID-CN和Mitotracker Deep Red FM的成像信噪比比较；

此外，通过受激辐射光损耗（STED）超分辨成像技术，两种探针分别实现了在活细胞中对溶酶体融合、线粒体分裂和自噬过程的超分辨率动态观察。

图：A和B)溶酶体融合过程的超分辨成像及分辨率；C和D)线粒体分裂过程超分辨成像及分辨率

图：A)巨噬细胞线粒体自噬过程中线粒体与溶酶体融合的动态示踪图；B)局部放大图

据悉，天津大学分子+研究院博士生吕铮、满忠伟为文章的共同第一作者，北京大学基础医学院心血管研究所博士生崔宏图和曹缓缓为文章提供了大力的帮助。通讯作者为首都师范大学徐珍珍副教授、付红兵教授和北京大学基础医学院心血管研究所郑乐民教授。

参考文献

[1] H. Fang, S. Yao, Q. Chen, C. Liu, Y. Cai, S. Geng, Y. Bai, Z. Tian, A. L. Zacharias, T. Takebe, Y. Chen, Z. Guo, W. He, J. Diao, ACS Nano 2019, 13, 14426.

[2] Z. Ye, L. Wei, X. Geng, X. Wang, Z. Li, L. Xiao, ACS Nano 2019, 13, 11593.