近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員徐兆超、副研究員喬慶龍團(tuán)隊(duì)利用親水性醚鏈對(duì)羅丹明進(jìn)行N端修飾，開(kāi)發(fā)了一系列具有水中高亮度的醚鏈羅丹明染料。這類(lèi)新型染料憑借其水中高亮度和低團(tuán)聚特性，能夠有效降低活細(xì)胞內(nèi)非靶向結(jié)合，在活細(xì)胞超分辨熒光成像中展現(xiàn)出高精度定位、高亮度和高信噪比的性能。相關(guān)成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。
羅丹明染料因其獨(dú)特的非熒光螺內(nèi)酯和熒光兩性離子之間的動(dòng)態(tài)平衡轉(zhuǎn)換特性，能夠控制熒光的開(kāi)啟和閃爍，這一特性使其在活細(xì)胞的熒光標(biāo)記和超分辨熒光成像領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)羅丹明染料一直存在水中亮度低和易團(tuán)聚導(dǎo)致非靶向結(jié)合的問(wèn)題。由于水環(huán)境是絕大多數(shù)生命活動(dòng)的場(chǎng)所，因此提高羅丹明染料在水中的亮度和染色信噪比，成為開(kāi)發(fā)超分辨成像染料亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
研究表明，染料在水環(huán)境中的熒光淬滅主要源于三種機(jī)制：一是疏水性強(qiáng)的染料會(huì)產(chǎn)生聚集誘導(dǎo)淬滅；二是水分子的羥基伸縮振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致激發(fā)態(tài)染料的能量外轉(zhuǎn)換；三是在高極性的水環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的分子內(nèi)扭轉(zhuǎn)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）。雖然目前已有針對(duì)單一淬滅途徑的改善策略，但沒(méi)有既能同時(shí)解決這三種熒光淬滅問(wèn)題，又保留羅丹明“聚集-解聚”介導(dǎo)的專(zhuān)一分子識(shí)別性能的解決方案。
本工作中，研究團(tuán)隊(duì)采用醚鏈對(duì)羅丹明的N取代基進(jìn)行修飾，高水溶性的醚鏈能夠有效降低羅丹明在水中的聚集淬滅，醚鏈的吸電子性可降低TICT的驅(qū)動(dòng)能，醚鏈在水中能形成包封共軛氧雜蒽部分的分子構(gòu)象，抑制水-羅丹明相互作用，從而有效抑制水對(duì)羅丹明的淬滅。此外，醚鏈還能降低羅丹明的親脂性，有效抑制其在細(xì)胞中的非特異性結(jié)合，提高對(duì)靶標(biāo)標(biāo)記的準(zhǔn)確性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)親脂性N烷基羅丹明相比，基于醚鏈羅丹明衍生的HaloTag熒光探針在活細(xì)胞內(nèi)的背景熒光顯著降低，信噪比與亮度均得到提升。此外，醚鏈羅丹明衍生的溶酶體SMLM探針能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞死亡過(guò)程中全細(xì)胞溶酶體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
細(xì)胞溶酶體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)示意圖。大連化物所供圖
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c08833
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