利用一种灵敏且具有较大斯托克斯位移（Stokes shift）的荧光探针来监测溶酶体极性的动态变化

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Mapping dynamic changes in lysosomal polarity with a sensitive and large stokes shift fluorescent probe

针对现有溶酶体极性荧光探针灵敏度低、自荧光干扰等问题，本研究开发新型探针PTC。其基于ICT效应设计，具有高灵敏度（线性关系）、大斯托克斯位移（>165nm），有效降低信号交叉干扰，成功实现溶酶体极性动态追踪及自噬过程检测，为相关疾病研究提供新工具。

　　

王瑞芳|李荣|雷鹏|张丽云

山西白求恩医院，山西医学科学院，山西医科大学第三医院，通济山西医院，太原030032，中国

摘要

溶酶体的极性与其功能完整性密切相关，其动态变化是评估细胞状态和各种疾病进展的关键指标。然而，目前用于监测溶酶体极性的荧光探针通常具有较小的斯托克斯位移（Stokes shift）和不足的灵敏度，导致信噪比较低，并且容易受到自荧光干扰，从而难以准确追踪其动态变化。为了解决这一挑战，本研究成功开发了一种新型的溶酶体靶向荧光探针PTC。PTC基于强烈的分子内电荷转移（intramolecular charge transfer, ICT）效应进行设计，不仅对微环境的极性具有高灵敏度（荧光强度与极性之间呈现良好的线性关系），而且具有显著较大的斯托克斯位移（>165 nm）。我们利用该探针实现了溶酶体极性的高保真成像，检测到了自噬过程，并实时捕捉到了溶酶体的动态演变。这种探针为深入研究溶酶体相关疾病的分子机制提供了有力的化学工具。

引言

溶酶体是真核细胞中一个关键的亚细胞器，常被称为“消化装置”，在细胞降解和大分子回收中起着关键作用[1]。溶酶体功能的失调会严重破坏细胞稳态，并可能导致多种疾病的发病[2],[3]。溶酶体的极性是一个重要的生物物理参数，它不仅决定了溶酶体的形态、结构完整性和膜通透性，还调节了许多生物分子的相互作用动力学，尤其是水解酶[4],[5],[6]。此外，溶酶体的极性还深刻影响活细胞中的多种分子活动，包括酶促水解和吞噬作用、大细胞结构或碎片的降解、自噬以及受损细胞器的清除[7],[8]。

由于具有优越的时空分辨率、高灵敏度和出色的选择性，荧光探针技术是研究细胞微环境的强大工具[9],[10],[11],[12]。然而，在溶酶体成像领域，现有的探针主要关注病理条件下pH值或粘度的变化[13],[14]，而对极性的关注不足。极性是影响化学反应和病理生理过程的关键参数。事实上，溶酶体的极性与其功能直接相关，其在癌细胞中的显著降低凸显了其作为新型生物标志物的潜力[15],[16]。尽管如此，目前的探针通常分辨率较低。为了解决这一问题，开发能够高分辨率和特异性检测溶酶体极性的新探针已成为一个非常有价值的研究方向。

自噬是维持真核细胞稳态的基本机制之一，它有助于将错误折叠的生物分子和有缺陷的细胞器运输到溶酶体进行降解[17]。这一过程需要自噬体与溶酶体的融合，最终导致大分子的分解，进而改变溶酶体的极性[18],[19]。因此，全面了解自噬过程中溶酶体极性的动态变化，结合新型极性敏感探针的开发，可能会为生物系统的病理生理机制提供突破性的见解。

吩噻嗪类化合物具有较大的斯托克斯位移、高光稳定性和环境敏感性[20],[21]。基于这些优势，我们设计了一种响应极性的溶酶体靶向荧光探针PTC，用于监测癌细胞中的溶酶体极性变化（图1）。PTC以吩噻嗪作为经典的荧光团核心，通过C-C键与氰吡啶连接。这种结构修饰不仅延长了π共轭系统，还确保了有效的溶酶体靶向性。PTC的极性响应特性通过光物理性质和细胞实验得到了系统验证。该探针在研究溶酶体相关疾病方面具有巨大潜力。

化合物2的合成

在0°C下，将磷酸（15 mM，0.8 mL）逐滴加入到吩噻嗪（5 mM，1.065 g）和乙酸酐（3.8 mL）的混合物中，然后在50°C下反应2小时。最后，用水淬灭混合物，用二氯甲烷提取，通过旋转蒸发获得化合物2。¹H NMR（600 MHz，DMSO-d₆）δ 9.82 (s, J = 16.8 Hz, 1H), 7.75 (d, 1H), 7.61 (s, J = 1.9 Hz, 1H), 7.24 (d, 1H), 7.18 (d, J = 8.0, 1.4 Hz, 1H), 7.10 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.02 (d, J = 11.2, 4.4 Hz, 2H)

PTC的设计与制备

设计并合成了一种溶酶体靶向荧光探针PTC，用于监测癌细胞中的溶酶体极性变化。选择吩噻嗪作为电子供体，因为它具有优异的电子供体能力；而4-氰吡啶作为电子受体，因为它具有强电子吸引作用。这种分子设计赋予了PTC特有的D-π-A（供体-π-受体）结构，使其能够有效感知极性

结论

总之，我们开发了一种基于ICT机制的新型溶酶体靶向荧光探针PTC。PTC对微环境的极性具有极高的灵敏度，荧光强度与极性之间呈现良好的线性关系，并且具有显著较大的斯托克斯位移（>165 nm），有效减少了信号串扰和自荧光干扰。凭借优异的光物理性质，PTC实现了高保真成像和溶酶体动态的实时追踪

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢山西省基础研究计划（编号：202503021212326）和山西白求恩医院科学基金会（编号：2023RC31）的财政支持。