潍坊医学院周进教授ChemComm：靶向线粒体近红外荧光探针用于活细胞和糖尿病模型成像

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近日，潍坊医学院药学院周进教授课题组在英国皇家化学会期刊 Chemical Communications 上发表题为“A mitochondria-targeted near-infrared fluorescent probe for imaging viscosity in living cells and a diabetic mice model” 的封面论文（Outside Front Cover）。该文章设计了一个线粒体靶向的近红外荧光探针 NIR-V，其具有 700 nm 荧光发射，对粘度具有高度的选择性和灵敏度，并成像于活细胞及糖尿病小鼠模型中胰腺组织内粘度的变化。探针 NIR-V 提供了一种有效的方法来诊断与粘度相关疾病的新方法。

研究背景

细胞内粘度在信号传递、生物大分子相互作用、电子传递、代谢物扩散等过程中均起着重要作用。粘度的异常变化会导致代谢紊乱及各种疾病，比如阿尔茨海默病、糖尿病、动脉粥样硬化、细胞恶性肿瘤、高血压、帕金森病和神经退行性疾病等。因此，细胞内粘度的检测具有十分重要的意义。经典的粘度分析方法有各种粘度计，通常需要大量的液体样品以及复杂且耗时的测量过程。然而，生物活细胞内的微环境系统需要原位非破坏性的粘度指标。为此，作者合成了近红外粘度荧光探针 NIR-V，表现出对粘度的高度选择性和特异性。由于其独特的特性，NIR-V 已成功检测出由外源性药物刺激引起的细胞粘度变化。探针 NIR-V 还成功地应用于糖尿病小鼠胰腺器官内粘度的检测。此研究提供了一种检测生物体系粘度的方法，在糖尿病诊断中显示出潜力。

本篇论文

此探针通过 2,3,3-三甲基-3H-苯并吲哚和 4-(二甲氨基)肉桂醛连接而成（图 1）。在低粘度环境中，苯并吲哚和二甲氨基苯基可围绕 C-C 键自由旋转，能量被分散。而在高粘度环境中，高粘度的甘油阻碍了探针分子的自由旋转，减少了非辐射能的损失，导致荧光增强。

▲	图 1. 探针 NIR-V 的合成与粘度响应

接下来，文章又研究了它的光物理化学性质。通过调节不同配比的甘油-水体系来模拟不同的粘度环境。从图 2A-B 中也可以看到，NIR-V 只有在甘油中才表现出高的荧光强度，而在其他的金属离子、氨基酸、活性氧等生物活性分子中荧光强度均较弱。图 2C-D 测定了探针 NIR-V 在不同甘油-水体系中的荧光寿命。探针 NIR-V 的荧光寿命随着粘度的增强而升高。荧光寿命（log τ）与溶剂粘度（log η）呈良好的线性关系（R2 = 0.99, x = 0.14）。

▲	图 2. 光物理性质测试

随后，作者继续研究了 NIR-V 在不同生理条件下感知细胞内黏度变化的潜在应用。为了验证探针 NIR-V 可以通过荧光成像检测细胞内黏度的变化，作者采用抗真菌药物制霉菌素改变细胞内黏度。制霉菌素可以通过破坏细胞中的离子平衡引起细胞功能障碍和粘度变化。如图 3A 所示，随着不同制霉菌素浓度引起的细胞内黏度的增加，荧光强度逐渐增大。共聚焦成像结果与流式细胞仪结果一致（图 3C）。结果表明，NIR-V 可以作为细胞黏度探针检测细胞内黏度的变化。此外，作者还制备了高血糖损伤细胞模型。高血糖是糖尿病发生的关键因素之一，但对高血糖细胞黏度的研究甚少。HepG2 细胞分别用不同浓度的葡萄糖)孵育 24 h，然后用探针 NIR-V 孵育 30 分钟。如图 3B 所示，随着不同葡萄糖浓度引起的胞内黏度的增加，荧光强度逐渐增加。共聚焦成像结果与图 3D 的流式细胞仪结果一致，进一步说明 NIR-V 可以检测高血糖细胞损伤引起的细胞内黏度变化，为接下来在活体动物中研究糖尿病奠定基础。

▲	图 3. 制霉菌素和葡萄糖对细胞黏度影响

NIR-V 的最大发射波长高达 700 nm，属于近红外光。因此，NIR-V 不仅可以应用于细胞成像，而且在器官组织生物成像方面具有潜力。在将 NIR-V 应用于活体动物之前，研究评估了 NIR-V 对活体动物组织的生物安全性。用 H&E（苏木素-伊红）染色法观察 NIR-V 的组织毒性。如图 4A 所示，通过观察正常组和探针治疗组发现，器官（肾、肝、肺、心脏、脾脏和胰腺）没有明显的组织病变。证明，NIR-V 具有良好的生物相容性和较低的组织毒性，可用于器官的光学成像分析。随后实验将小鼠分为正常组、糖尿病组和胰岛素组。采用 STZ（链脲佐菌素）来构建小鼠糖尿病模型。建立糖尿病模型后，用胰岛素治疗小鼠。腹腔注射并孵育探针溶液后，对肾脏、肝脏、肺、心脏、脾脏和胰腺行器官荧光成像。如图 4B 所示，胰腺上荧光信号强度明显，说明不同器官黏度分布存在差异。此外，与正常组相比，糖尿病组胰腺黏度明显升高（p<0.05）；与糖尿病组比较，胰岛素组胰腺黏度降低（p < 0.05），证明 NIR-V 能检测胰腺组织黏度的变化。可见，NIR-V 可以作为一种检测工具，通过测量糖尿病微环境的黏度来实现有效诊断，为疾病的及时干预提供了可能。

▲	图 4. NIR-V 对糖尿病小鼠模型影响的研究

文章总结

作者设计了一种靶向线粒体的黏性荧光探针 NIR-V，其具有 700 nm 的近红外光发射和良好的深层组织渗透性。它不仅用于检测细胞内粘度变化，还成功用于检测胰腺组织中的粘度改变，实现了糖尿病小鼠胰腺组织中粘度的检测，为监测糖尿病小鼠胰腺的病理变化提供了技术支持。

原文链接
http://doi.org/10.1039/D1CC01104A

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