Small:溶酶体主动靶向策略的应用-活细胞示踪探针设计

荧光成像技术是现代科学研究中的一项重要技术,它使活体细胞和整个生物体可视化,极大地促进了生物学和医学的发展。同时,为了应对活体成像所面临的挑战,如组织穿透和非特异性自体荧光背景,人们开发了多种荧光团。例如,在近红外(NIR)光谱区域(700-900 nm)具有低能波长的近红外(NIR)荧光团,由于其能够深入组织穿透,在临床应用中具有良好的无创成像潜力,如荧光引导手术,因此吸引了大量的研究工作。尽管取得了这些显著的成就,但实时监测活细胞的迁移仍然是一项具有挑战性的任务,这对于揭示诸如肿瘤转移等许多生物学过程以及通过提供治疗细胞的定位来指导基于细胞的疗法的发展至关重要。然而,传统的小分子荧光染料,如FDA批准的近红外染料吲哚青绿(ICG),由于其与靶细胞的不稳定结合而无法提供长期信号,并可能在复杂的体内环境中迅速被清除。用荧光蛋白如绿色荧光蛋白(GFP)转染细胞已成为一种可靠的持续标记细胞的方法。然而,大多数荧光蛋白的波长都在紫外/可见光谱范围内,导致组织穿透能力有限,抗自体荧光干扰能力差。并且,细胞表达的荧光蛋白数量有限且无法调节,导致荧光信号偏弱。

美国麻省理工学院李博文和中国药科大学袁振伟课题组合作,发现并利用细胞GSH解毒途径介导的溶酶体主动靶向分子机制设计开发具有溶酶体持久蓄积能力的近红外活细胞示踪探针并应用肿瘤细胞体内转移途径的实时追踪。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202002211)上。

这个探针的设计灵感来自于该课题组在氟苯衍生物上观察到的溶酶体靶向现象。氟苯偶联的半菁荧光团在细胞摄取后能迅速与细胞质中的谷胱甘肽(GSH)形成稳定的结合物。这种GSH结合物显示出极强的亲水性,导致难以穿出细胞膜达到细胞蓄积的功能。此外,这种GSH结合物可以主动转运到溶酶体。事实上,目前已经开发出多种pH响应型荧光探针用于溶酶体定位。然而,这些探针通过响应溶酶体中的低pH条件发挥作用,并不能实现溶酶体的主动靶向与蓄积。相比之下,氟苯偶联的探针在溶酶体中主动积累后,可以稳定地停留在溶酶体中。此外,这些氟苯偶联的半菁探针不影响细胞的生物活性,如细胞信号通路的转导、肿瘤细胞的转移侵袭等。另外与单氟苯(m-FB)和三氟苯(t-FB)相比,五氟苯(p-FB)偶联半菁形成的活细胞示踪探针显示了最好的光学反应性能,在动物体内实现了实时的活细胞追踪成像,显示了MCF-7和4T1肿瘤细胞的体内转移行为。值得一提的是,氟苯功能化方法代表了一种通用的“附加”技术,可用于增强小分子荧光染料的细胞蓄积能力,使其适合于活细胞追踪。