新型线粒体靶向荧光探针助力细胞与活体小鼠黏度变化检测

线粒体是细胞内的重要细胞器，负责细胞信息传递、物质交换和能量代谢等功能，其微环境的稳态对于维持细胞正常生理功能至关重要。黏度作为细胞微环境的一个基本参数，与细胞的许多生命活动过程密切相关，如代谢和信号传递等。线粒体基质中黏度水平的异常变化会影响细胞的有氧呼吸和代谢，进而可能导致细胞癌变、凋亡等疾病的发生。然而，传统的黏度测量设备无法对活细胞中的微环境黏度进行监测，因此开发一种能够检测细胞微环境中黏度变化的新技术显得尤为迫切。

河南大学的研究团队成功设计合成香豆素-半菁型线粒体靶向荧光探针P1和P2。这两种探针可精准监测细胞及小鼠体内的黏度变化，为肿瘤早期诊断与病理机制研究提供了创新工具，其核心成果通过系列实验图片得到直观呈现。

研究内容

研究团队以香豆素（Coumarin）和半菁（Hemicyanine）为核心构建模块，通过不饱和烯烃双键连接形成D-π-A型共轭体系。其中，香豆素单元作为电子供体，具有光稳定性好、合成简单、生物相容性高等优点；吲哚/苯并吲哚阳离子单元作为电子受体，不仅赋予探针正电荷以实现线粒体靶向（线粒体膜电位负性特征），还通过引入羟基基团显著提升水溶性，解决了传统半菁类探针亲脂性过强的缺陷。

图 1 P1和P2在激发态下二面角为90°和0°时的DFT计算结果

探针的核心工作原理基于分子内扭转电荷转移（TICT）效应：在低黏度环境（如正常细胞线粒体）中，探针分子内的烯烃双键可自由旋转，激发态能量通过非辐射跃迁耗散，导致荧光微弱；在高黏度环境（如癌细胞线粒体或炎症组织）中，分子旋转受限，TICT过程被抑制，荧光信号显著增强。

通过密度泛函理论（DFT）计算证实，高黏度下探针分子的二面角趋近于0°（平面构象），振子强度（f值）提升近千倍，与实验观察到的荧光增强现象高度吻合（图1）。

图 2 探针的滴定实验

在包含20余种常见阴阳离子（如Fe³⁺、Cl⁻）、生物硫醇（如GSH）及活性氧（如ClO⁻）的干扰实验中，P1/P2仅对甘油（模拟高黏度）表现出特异性荧光响应，荧光强度提升11-64倍（图2A/B），证明其抗干扰能力适用于复杂生物样本，具有超高选择性。

在黏度1.01-1499 cP（涵盖细胞内生理及病理黏度范围）内，P1/P2的荧光强度与黏度呈良好线性关系（R²>0.98），且检测限低至0.87 cP（图2E/F），满足定量分析需求。

在pH 4.0-10.0（模拟细胞内外酸碱波动）及强光照射（0.5 W氙灯，2小时）条件下，探针荧光强度波动小于5%，证明其在极端环境下稳定性优于多数同类探针。

图 3 正常细胞与癌细胞荧光强度对比

实验发现，人肝癌细胞（97H）经P1/P2染色后，绿色荧光强度比正常肝细胞（THLE）高2-3倍（图3），直接反映癌细胞线粒体黏度升高的特征。这一差异源于癌细胞代谢活跃导致的线粒体膜流动性降低，为肿瘤细胞的无标记识别提供了新策略。

此外，利用脂多糖（LPS）诱导THLE细胞炎症模型，随着LPS浓度从2 μL增至10 μL，细胞荧光强度呈剂量依赖性增强；在6 μL LPS作用下，荧光强度在120分钟内持续升高，证明探针可实时捕捉细胞应激反应中的黏度变化。

图 4 荷瘤小鼠肿瘤部位特异性荧光信号

将P1注射到荷瘤小鼠腹腔后，肿瘤部位荧光强度在40分钟达到峰值，且比正常小鼠肝脏、肾脏等脏器高40%-60%（图4B/C）。这种高对比度成像归因于肿瘤组织的“高黏度微环境”，为肿瘤早期微小病灶的检测提供了可能。

对正常小鼠注射LPS诱导全身炎症，P1/P2荧光信号随时间从腹部向全身扩散，1小时后荧光强度较初始值提升3倍（图4A），揭示了炎症进程中体液黏度的动态升高，为脓毒症等急性炎症的早期干预提供了影像学依据。

该研究通过化学创新与生物医学应用的深度交叉，突破了传统黏度检测技术（如旋转黏度计）无法实现活体实时监测的瓶颈。探针P1/P2不仅具备“线粒体靶向-黏度响应-荧光成像”三位一体功能，还首次在荷瘤小鼠中实现了肿瘤与正常组织的黏度差异可视化，为肿瘤的早期诊断（如胃镜/肠镜活检样本的荧光染色）、疗效评估（如化疗前后线粒体黏度变化）及病理机制研究（如线粒体动态与肿瘤代谢的关联）提供了全新工具。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.saa.2024.125105