张晓兵课题组：自定位成像策略实现细胞内生物活性小分子的原位示踪

生物活性小分子（BSMs）具有广泛的生物活性，在精确调控各种生物学过程中发挥着重要作用。因此，实现内源性 BSMs的实时原位监测，对于解析细胞内生物学事件具有重要意义。然而，现有的BSMs荧光探针主要采用水溶性或脂溶性荧光染料构建，在成像过程中容易从反应位点扩散，因此难以实现原位检测。如何构建荧光探针获取活细胞内BSMs的分布，仍然是目前的难点问题。

靶标激活原位固定（标记、组装）策略为开发原位荧光成像探针提供了一种有效方法，基于此构建的探针可实现活细胞内靶标的原位成像。其中，基于2-(2'-羟基苯基)-4(3氢)-喹唑啉酮（HPQ）及其衍生物构建的荧光探针可在靶标存在下释放出具有强组装能力的HPQ及其衍生物，进而通过氢键和π-π堆积等弱相互作用力逐级有序组装成强荧光的纳米沉淀物，从而实现靶标的原位成像。此外，开发既能控制特定细胞器内生物活性分子的激活，又能 "按需"对该分子的分布进行控制成像的工具，是实现细胞中生物活性分子同步原位成像不可或缺的一部分。

在前期工作基础上，湖南大学张晓兵教授和袁林教授提出利用HPQ及其衍生物构建可用于细胞内 BSMs同步原位成像的探针（图 1）。作为概念验证，选择了生物硫醇小分子（ABs）作为靶标，通过将特定响应底物引入 HYPQ，构建了自定位原位成像荧光探针 HYPQS（图 1a）。当 ABs去除探针上的反应底物后，释放出的“双疏”染料快速有序组装成强荧光和抗扩散特性的组装体，从而实现了细胞内ABs的原位成像（图 1b）。为了进一步证明该探针可以用于细胞内不同细胞器内ABs的同步原位成像，作者通过在硫醇抑制剂 N-乙基马来酰亚胺（NEM）中引入细胞器靶向基团，设计合成了三种细胞器定位的硫醇靶向抑制剂（Mito-NEM、Lyso-NEM 和 ER-NEM）。将探针HYPQS与细胞器靶向抑制剂相结合，实现了活细胞内ABs的原位示踪（图1c）。此外，生物透射电子显微镜（Bio-TEM）图像证实，探针HYPQS能在反应部位原位释放出抗扩散特性的发光组装体，这对于实现活体中 BSMs 的同步原位跟踪和可视化成像至关重要。该策略为生物体内活性小分子的原位示踪提供了一种新思路。

图1. 激活型固态发光荧光探针结合定位靶向抑制剂实现细胞内生物硫醇小分子的同步原位成像

该成果以“A controllable self-localized imaging strategy capable of synchronous in situ tracking of local changes in intracellular bioactive small-molecules”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（DOI：10.1007/s11426-023-1648-1）。

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【通讯作者简介】

张晓兵，湖南大学教授、校学术委员会副主任、化学化工学院院长、化学生物传感与计量学国家重点实验室副主任。长期从事分析化学教学科研工作，聚焦分子设计和探针结构调控，在精准分子成像等领域取得系统性创新成果。

袁林，湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室教授、博士生导师。分别于南华大学和湖南大学获得学士和博士学位，在新加坡国立大学化学系从事博士后研究。2012年至今，历任湖南大学助理教授、副教授、教授。主要从事荧光染料/探针性能调控及应用方向的研究。

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