活细胞内单分子动态成像首创：中国科学院大连化物所研发靶控自闪烁荧光探针
揭秘细胞内奥秘：荧光探针助力揭示活细胞微观世界
数界探索
12月7日，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队成功开发了一种名为“BlinkogenicProbe”的新型“靶控自闪烁”荧光探针。这一创新成果有望在生物医学成像领域发挥重要作用。 这种新型荧光探针的独特之处在于其能够自主控制闪烁过程，这不仅提高了成像的精确度，还可能减少对样本的潜在损伤。徐兆超研究员与乔庆龙副研究员领导的团队通过精密的设计与实验，实现了这一技术突破。 该探针的应用前景广阔，尤其是在疾病早期诊断和细胞动态监测方面。它能够在复杂环境中提供更清晰、更稳定的图像，为科研人员提供了新的工具来深入理解生命过程中的细微变化。 这项研究不仅展示了我国科学家在前沿科技领域的创新能力，也为全球相关领域的研究者提供了新的思路和技术支持。未来，随着更多实验和应用案例的积累，相信这种探针将在实际医疗和科研工作中发挥更大的作用。
这种探针仅在识别目标后才会激活自闪烁荧光开关功能，从而排除了非特异性单分子定位的干扰，提高了单分子超分辨成像的定位精度，实现了无需洗涤步骤的活细胞内动态单分子超分辨成像。
单分子定位显微镜（SMLM），作为超分辨成像技术的关键一环，其核心优势在于能够突破传统光学显微镜的纳米级分辨率限制。这一技术之所以能实现如此高精度的成像，关键在于它利用了荧光分子在“亮”态与“暗”态之间的快速切换能力。通过控制这些分子在不同的时间点发出荧光信号，研究人员能够精确地定位每一个分子的位置，从而构建出一幅清晰的亚细胞结构图像。这项技术不仅极大地推动了生物医学研究的发展，还为探索生命科学中的复杂现象提供了强有力的工具。例如，在研究神经元连接或病毒入侵机制时，SMLM可以提供前所未有的细节，使科学家们能够更深入地理解生物过程的本质。 这种显微技术的进步体现了科学研究中跨学科合作的重要性。它结合了物理学、化学和生物学等多个领域的知识，展示了现代科技如何帮助我们揭示自然界的奥秘。随着该技术的不断进步和完善，未来在疾病诊断、药物开发以及基础生物学研究等领域都将展现出巨大的应用潜力。
传统的发光调控策略虽能捕捉到稀疏的荧光闪烁信号，但在活细胞内实现原位、动态的超分辨成像方面仍面临巨大挑战，主要因为其生物兼容性较差。此外，由于缺乏精准的靶点识别能力，SMLM（单分子定位显微镜）成像技术在实际应用中常受到单分子定位错误信号的干扰。 这种技术上的局限不仅限制了科学家对细胞内部精细结构的观察，也阻碍了对复杂生物过程的深入理解。为了克服这些障碍，研究者们需要寻找新的方法来提高发光调控策略的生物相容性，并增强SMLM的靶点识别能力。这可能包括开发新型荧光探针或改进算法以减少错误信号的影响。只有这样，我们才能真正利用超分辨成像技术揭示生命的奥秘，为疾病治疗提供更为精确的指导。
研究团队在前期研究中设计了具有特定开环比例的罗丹明开关分子，从而成功研发出多种颜色的自闪烁荧光探针，并将其应用于活细胞内的动态单分子定位超分辨成像。虽然这种自闪烁荧光探针在超分辨成像领域展现出了重要的应用前景，但仍然存在不少挑战。
在此次研究中，研究团队开发了一种名为“靶控自闪烁”的荧光探针，这种探针能够在与靶标结合之前保持“沉默”状态，即不会产生闪烁现象，而一旦与靶标结合，其自闪烁性能会立即被激活，从而实现精确的单分子定位，有效避免了非特异性标记带来的闪烁背景。为了量化这一特性，研究人员引入了一个新的参数“RDC”，定义为自闪烁激活前后的占空比比值，其中占空比指的是荧光探针在特定时间内处于“亮”态的比例。当RDC值大于1时，表明荧光探针在识别靶标后确实发生了自闪烁激活现象。借助这种探针，研究团队成功地进行了细胞内动态超分辨显微镜（SMLM）成像，包括线粒体分裂和接触、细胞迁移以及伪足生长等过程。此外，通过使用这种探针，研究人员还能够精准追踪活细胞中的多种伪足结构，如丝状伪足、片状伪足和隧道纳米管。 这种新型探针的开发不仅极大地提高了生物成像技术的精度，而且为深入理解细胞内部的动态变化提供了强有力的技术支持。它使得科学家们能够以前所未有的细节观察到细胞内部的复杂结构和活动，这无疑将推动生物学和医学领域的发展。例如，在癌症研究中，这种探针可以用于更准确地识别和跟踪肿瘤细胞的变化，从而为疾病的诊断和治疗提供新的视角和方法。此外，这种技术的应用范围可能远远超出当前的报道，未来可能会有更多令人惊喜的发现。
相关研究成果发表于《德国应用化学》和《中国化学快报》，附链接如下：
https://doi.org/10.1002/ani.202417469
https://doi.org/10.1016/j.cclet.2024.110643