综述：用于检测高尔基体应激相关生化变化的小分子荧光探针

高尔基体应激与荧光探针在疾病机制研究中的应用：综述其功能、探针设计及临床转化挑战。

　　

王晓|黄子伟|徐梦然|徐光阳|韩宇|孙欣

吉林医科大学药学院，中国吉林132013。

摘要

高尔基体作为细胞中重要的膜结合细胞器，负责蛋白质和脂质的修饰、包装和运输，在维持细胞稳态中起着关键作用。最近的研究表明，高尔基体不仅是蛋白质和脂质运输的中心，还积极参与应激反应、自噬和细胞凋亡。高尔基体应激在多种病理状态下起着重要作用，尤其是在炎症、癌症和神经退行性疾病中。长期或严重的应激会导致高尔基体功能障碍、结构破坏和蛋白质积累，最终引发细胞死亡和功能丧失。为了研究高尔基体应激的动态变化，分子荧光探针技术提供了一种实时、无创的工具，能够靶向高尔基体内的特定化学环境或蛋白质，实现高效定位和成像。在这篇综述中，我们系统总结了已报道的高尔基体靶向荧光探针，涵盖了不同靶向基团的识别和标记机制，以及它们在生物成像和相关疾病中的应用。此外，我们还从诊断和治疗整合的角度讨论了这些探针面临的挑战和机遇。

引言

在真核细胞中，膜运输系统负责脂质和蛋白质等生物大分子的方向性运输，是维持细胞稳态和执行多种生理功能的基本机制。高尔基体是一种典型的膜结合细胞器，主要由一系列扁平的膜结合囊泡结构（囊泡）堆叠而成[1]。高尔基体位于内质网（ER）和质膜之间，由磷脂双层包裹的囊泡组成，每个囊泡形成独特的内部环境[2]、[3]、[4]、[5]。高尔基体具有明显的空间极性，这使得蛋白质加工具有顺序性和方向性。不同的囊泡分布着不同的酶，每一层负责特定的修饰：早期囊泡主要进行初步的糖基化修饰，而中间和运输囊泡则进行更精细的修饰，如糖基化、磷酸化和蛋白质分选[6]、[7]、[8]、[9]。新合成的蛋白质从内质网进入顺式高尔基网络（CGN），依次通过每个囊泡层，并在高尔基运输网络（TGN）被识别、包装并通过囊泡运输到最终目的地。这种空间分隔确保了蛋白质成熟的有序进行，从而保证了效率和准确性[10]、[11]、[12]。除了蛋白质加工外，高尔基体还在脂质代谢中起着关键作用，特别是在鞘脂和糖脂的合成和运输方面，这对维持膜完整性和功能特化至关重要[13]、[14]。这种高度有序的空间组织确保了蛋白质的有效成熟，但也使得高尔基体特别容易受到细胞内稳态紊乱的影响。

值得注意的是，高尔基体不仅仅是一个被动的“物流中心”。最近的研究表明，除了在蛋白质和脂质的修饰、包装和运输中起核心作用外，它还积极参与细胞信号调节、自噬反应和应激适应，并与多种疾病的发病和进展密切相关[15]、[16]。在有害或病理刺激下，高尔基体会经历一系列适应性反应以维持细胞稳态，这些反应通常伴随着高尔基体结构、氧化还原平衡和代谢信号的深刻变化[17]。然而，在炎症等病理状态下，高尔基体会经历持续且不可逆的应激，导致结构碎片化和异常蛋白质积累。因此，会发生继发性细胞死亡和功能损伤，从而促进疾病的发展和进展。这些过程常常伴随着氧化还原失衡和离子稳态破坏等病理变化，进而导致微环境参数（如pH值、离子浓度、极性）以及生物活性分子（包括酶、活性氧[ROS]、活性氮物种[RNS]和金属离子）水平的显著波动[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。鉴于高尔基体在维持稳态和调节信号传导中的核心作用，这些变化通常会显著反映在其微环境中。因此，在活细胞中实现关键高尔基相关生物标志物或微环境参数的实时原位监测对于阐明疾病机制和推进精准诊断和早期干预策略具有重要意义[23]。

在这方面，分子荧光探针提供了一种独特的化学方法来可视化原位的高尔基体应激相关微环境变化。与传统检测方法相比，分子荧光探针能够实现体内特定生物标志物的无创、选择性和可视化追踪，为纵向研究提供了有希望的解决方案。特别是在细胞器水平上，荧光成像技术凭借其高空间分辨率和实时监测能力，为阐明亚细胞结构的动态变化提供了独特的方法[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。具有靶向和响应特性的荧光探针的构建使得能够有效监测高尔基体内的关键参数。常用的高尔基体靶向基团通过与高尔基体内独特化学环境或蛋白质的选择性相互作用实现精确定位，包括苯磺酰胺和L-半胱氨酸衍生物（通过共价结合到高尔基体内的半胱氨酸残基或富含巯基的蛋白质上）[30]、[31]、三氟甲基喹啉衍生物（通过疏水相互作用嵌入高尔基膜）[32]、[33]，以及吲哚美辛和塞来昔布（CCB）衍生物（通过非共价相互作用与高尔基蛋白结合）[34]、[35]。通过这些机制，分子探针可以在高尔基体内实现特异性靶向，从而为其功能提供可靠的原位监测工具。

基于此，本综述从与高尔基体应激相关的生化扰动开始，建立了荧光探针的响应机制与其所反映的特定生物事件之间的直接关联。最近在高尔基体靶向荧光探针方面的进展被系统总结并进行了比较讨论，包括它们的化学结构、响应策略、作用机制和生物应用（图1）。此外，还分析了当前探针面临的主要挑战——包括选择性、灵敏度、成像深度和体内转化潜力，并讨论了它们在阐明疾病相关信号通路和追踪动态生物过程中的潜在价值。表1提供了本综述所涵盖探针的系统性总结。

部分摘录

与高尔基体应激相关的选定生化和微环境变化

在有害刺激或疾病条件下，高尔基体通过应激机制维持细胞稳态。然而，长期或严重的应激会导致结构破裂、蛋白质聚集以及氧化还原平衡和离子稳态的紊乱[36]、[37]。高尔基体的pH值和离子梯度被破坏，膜运输受阻，蛋白质积累增加，这会上调ROS水平，激活应激信号通路和转录因子（如MAPK、CREB3）

高尔基体靶向NO探针在疾病研究中的应用

越来越多的证据表明，高尔基体应激与神经退行性疾病密切相关，尽管其潜在机制尚未完全阐明。神经退行性疾病是由于神经元功能或结构的逐渐丧失而引起的致残性疾病，通常伴随着异常蛋白质聚集[68]、[69]、[70]、[71]。这些疾病的特点是发病隐匿、进展缓慢但不可逆，临床表现包括认知功能障碍等

总结与展望

高尔基体作为细胞内蛋白质加工和运输的中心枢纽，同时也是一个动态的信号调节平台。在病理条件下，高尔基体应激与氧化还原稳态、离子梯度和代谢网络的协调紊乱有关。因此，表征这些与应激相关的生化变化对于理解高尔基体功能障碍及其与疾病进展的关系至关重要。

尽管取得了显著进展

作者贡献声明

王晓：撰写-审稿与编辑、撰写-原始草稿、概念构思。黄子伟：撰写-原始草稿、可视化。徐梦然：撰写-审稿与编辑、可视化。徐光阳：撰写-审稿与编辑、可视化。韩宇：撰写-审稿与编辑、可视化。孙欣：监督、撰写-审稿与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了吉林省自然科学基金（YDZJ202601ZYTS119）的支持。