创新的荧光染料可同时观察多种不同的生物环境 实现细胞内的"时空旅行"

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都柏林圣三一学院的研究人员与爱尔兰皇家外科医学院（RCSI）合作开发出了特殊的荧光变色染料，首次实现了只用一种染料就能同时观察到多种不同的生物环境。当这些染料被封装在输送容器（如COVID-19疫苗等技术中使用的容器）中时，它们会通过一种名为"聚集诱导发射"（AIE）的过程"开启"并发出光线。在输送到细胞后不久，它们的光就会"关闭"，然后在细胞将染料穿梭到细胞脂滴中后再次"打开"。

先进的成像技术

由于细胞内发出的光与输送血管内相同染料发出的光颜色不同，发生在不同的时间窗口内，因此研究人员可以使用一种名为"荧光寿命成像"（FLIM）的技术来实时区分这两种环境。

这项研究成果最近发表在国际权威期刊《化学 》上。第一作者亚当-亨伍德博士是化学学院的高级研究员，常驻三一生物医学科学研究所（TBSI），他与博士生康妮-西格文森（Connie Sigurvinsson）共同完成了这项设计。

亨伍德博士解释说："生物成像依赖于"开/关"染料，即染料只在一组条件下发光，其他条件下则关闭。这非常有用，但也意味着在显微镜下一次只能观察一个地方。这项工作令人兴奋的地方在于，我们的染料找到了一个最佳点，使其具有独特的开/关/开特性，更重要的是，我们可以观察和区分这些不同的"开"状态。"

"因此，我们比以前看得更多，看得更清楚。我们通过对样本发出的光到达显微镜所需的时间进行计时来做到这一点：来自输送血管的光比来自细胞内的光所需的时间稍长。收集到足够多的光信号后，我们就能利用这些信息快速建立两种不同染料环境的精确三维图像。这种时间差很小--无论哪种方式，都只有几十亿分之一秒--但我们的方法足够灵敏，可以捕捉到这种时间差。"

这种独特的质量意味着这种染料可以有大量的应用，例如，有可能彻底改变生物传感和成像方法。

同一染料从纯有机溶剂（左）到水（右）的发光变化。资料来源：都柏林圣三一学院 Adam Henwood 博士

由于这些染料能帮助科学家以如此高的对比度和特异性绘制活细胞内错综复杂的结构图，它们可以帮助阐明药物是如何被细胞吸收和代谢的，或者让科学家能够设计和进行一系列新的实验，以更好地了解细胞复杂的内部运作及其至关重要的生化机制。

在这篇发表在杂志上的文章中，科学家们重点使用这种染料对细胞脂质（脂肪）液滴进行成像，脂质液滴是构成大多数复杂生物体（如我们人类）活细胞的重要"细胞器"之一。

脂滴曾被认为是简单的"脂肪库"，但现在人们相信，脂滴在调节细胞代谢、协调细胞内脂质的摄取、分布、储存和使用方面发挥着重要作用。由于人们对它们的重要性有了越来越多的了解，而且它们活性的突然变化往往预示着细胞受到了压力，因此它们是染料的一个有用的测试案例。进一步研究的一个潜在途径是，研究小组能否用他们的染料靶向其他重要的细胞器。

文章的资深作者 Thorfinnur Gunnlaugsson 是三一学院化学学院的化学教授，常驻 TBSI。他说："通过观察不同的荧光发射颜色来监测细胞功能或分子或候选药物在细胞内的流动是非常有吸引力的。这里的突破在于，我们可以利用荧光寿命的差异，快速准确地识别不同细胞环境中的相同探针，从而绘制出它们在细胞内的彩色"时间旅行"图。然而，最令人兴奋的是，这种现象并不适用于细胞成像。这些结果为研究化学生物学（正如我们在这里所展示的那样）、许多其他医学应用，甚至在生成生物学以外的新型功能材料方面开辟了新的可能性。任何需要控制分子运动的分子或纳米材料，原则上都可以利用我们的新方法进行映射和微调。"

潜在应用和未来方向

事实上，作者们正是打算在这里大展身手。他们为这些染料设想了许多新的可能性，指出它们的特殊灵敏度对开发有害环境污染物传感器或利用其明亮的发光特性为化学转化提供动力（类似于自然界自身的光合作用）具有吸引力。

这项研究既具有国际性（有八个国家的代表参加），又具有爱尔兰特色，爱尔兰的主要资助机构爱尔兰研究理事会（IRC）和爱尔兰科学基金会都发挥了重要的财政支持作用。最值得一提的是爱尔兰科学院的药物研究中心（SSPC），它是这项工作的主要资助机构，爱尔兰科学院的安博中心也为这项工作提供了资助，此外，安博中心还通过基于安博的 EPSRC-SFI 中心博士培训计划提供了资助。

利默里克大学物理学教授、SSPC主任达米安-汤普森（Damien Thompson）教授说："作为一个中心，我们在材料与生物学的交界处不断向前推进并创造新的知识。我们三一学院的两位主要研究人员与 RCSI 之间的这项合作展示了基础科学推动医学创新的力量。我们越接近分子-细胞界面，关键是我们越能实时看到分子如何在细胞纳米机械内部从一个地方扩散到另一个地方，我们就越接近实现理查德-费曼（Richard Feynman）的梦想，即从原子的摆动和抖动中了解生物所做的一切。但直到最近，研究人员才拥有足够的实验和计算资源来跟踪复杂生物环境中的这些运动和振动。这项令人兴奋的新工作展示了亚细胞动态的更具体、高对比度成像，这反过来将使研究人员能够开发出更有效的药物配方，并减少副作用"。

负责监督这项研究的多纳尔-奥谢（Donal O'Shea）教授是RCSI化学系和超分辨率成像联合会（由爱尔兰科学基金会SFI资助）的细胞成像专家。他补充说："我们使用FLIM来跟踪AIE与活细胞的动态相互作用，这种方法可以广泛应用于其他荧光团系统，从而获得以前不为人知的见解。"

编译来源：ScitechDaily

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