【儀表網 研發快訊】近日，大連化物所生物技術研究部分子探針與熒光成像研究組(1818組)徐兆超研究員團隊開發了近紅外單分子定位超分辨成像熒光探針“Aze-HMSiR”，降低了探針的光毒性，實現了長達50分鐘的全細胞溶酶體動態超分辨成像，解析出溶酶體在全細胞范圍內的分布、尺寸、pH、運動軌跡的系統性變化，并將其系統性動態特征轉化為功能指標，以此為基礎建立了溶酶體功能診斷模型，將溶酶體超分辨成像從“結構解析工具”擴展至“功能分析平臺”，為溶酶體相關疾病的診斷和藥物篩選提供了新路線。
 

　　溶酶體作為細胞的“代謝指揮中心”，其功能高度依賴于動態行為，從降解生物大分子、調控自噬到介導細胞信號傳遞，均與溶酶體形態、運動性及腔內pH的實時變化緊密相關。例如，溶酶體pH的輕微升高可導致水解酶失活，引發神經退行性疾病；而溶酶體尺寸的異常擴張則與癌癥耐藥性密切相關。然而，解析這些動態行為的核心挑戰在于技術限制：傳統超分辨成像探針在溶酶體酸性環境(pH 4.5至5)中易發生猝滅或持續發光，難以實現單分子定位所需的稀疏閃爍；此外，高光毒性激光嚴重干擾細胞穩態，使得長時程動態觀測數據可信度存疑。盡管徐兆超團隊此前開發的探針LysoSR-549(Angew. Chem. Int. Ed.，2022)實現了40分鐘的全細胞溶酶體成像(12nm/20ms分辨率)，但其561nm激發光仍引發顯著光毒性，且綠光穿透力限制了活體應用。
 

　　本研究中，團隊首先開發了近紅外自發閃爍探針“Aze-HMSiR”，基于硅羅丹明骨架與氮雜環丁烷修飾，結合ΔGC-O熱力學描述符指導的理性設計(Angew. Chem. Int. Ed.，2020)，該探針在大約650nm近紅外光激發下可實現酸性環境中的高效自發閃爍，且未表現出光毒性，成像時間延長至50分鐘。其次，團隊建立了溶酶體動態參數與功能的定量關聯模型，通過同步追蹤全細胞內所有溶酶體的分布、尺寸、pH及運動軌跡，發現這些參數的協同變化可作為細胞狀態的“功能指紋”。例如，溶酶體分布密度的降低與pH升高共同指示自噬抑制，而尺寸的快速收縮則與膜穩定性受損相關。最后，團隊將該技術應用于抗癌藥物篩選與疾病診斷，在對包括紫杉醇(Paclitaxel)、雷帕霉素(rapamycin)、杠柳苷(Periplocoside)、二甲雙胍(metformin)、埃拉斯汀(erastin)、重樓皂苷(polyphyllin)、吉非替尼(gefitinib)七種藥物的研究中發現，杠柳苷使溶酶體尺寸縮小32%，紫杉醇誘導pH顯著升高并引起溶酶體均勻分布；在阿爾茨海默病細胞模型中，溶酶體運動速度降低50%，且pH震蕩幅度顯著增大。這些發現不僅揭示了藥物作用的新機制，更為疾病早期診斷提供了動態指標。
 

　　本研究將超分辨成像的數據維度從“結構描述”擴展至“功能診斷”。團隊通過對全細胞溶酶體系統性動態的量化分析發現，溶酶體亞群的行為異質性具有功能分工，外圍溶酶體運動性較高，可以通過快速運動形成“信號前哨”，而核周溶酶體運動性較差但酸性較高；利用溶酶體多維參數可實現生理、不同病理下溶酶體的區分與功能診斷；不同抗癌藥物作用癌細胞后引起溶酶體特征“指紋”差異，能夠實驗抗癌藥物的區分與篩選。此外，團隊還發現杠柳苷明顯區別于其它抗癌藥物，能夠明顯降低溶酶體尺寸(32%)，而其余藥物誘導溶酶體尺寸變大；紫杉醇不僅能夠減弱溶酶體酸性同時會誘導溶酶體的均勻分布。
 

　　超分辨熒光成像的發展歷程本質上是人類對生命動態本質認知的不斷深化。第一階段以突破衍射極限為核心目標，實現了線粒體、內質網等細胞器的納米級結構解析，但其應用多局限于靜態“快照”。第二階段聚焦于短時程動態事件觀測，例如揭示線粒體分裂的兩種功能模式，或利用光激活探針追蹤內質網-溶酶體接觸的動態過程。然而，這些研究仍受限于局部區域觀測或單一參數分析。第三階段的核心挑戰在于將動態成像擴展至全細胞尺度，建立細胞器行為與功能的定量關聯。
 

　　超分辨成像技術在藥物篩選與疾病診斷中的應用為生命醫學研究提供了新思路。通過將細胞器動態行為轉化為可量化的功能指標，科研人員能夠像“解碼細胞語言”一樣，從納米級動態中讀取疾病信號、藥物響應與代謝狀態。未來，這一技術有望與人工智能、單細胞測序深度融合，構建“動態成像-分子機制-臨床表型”的三維研究框架。
 

　　相關研究成果以“Whole-cell Lysosome SMLM Imaging as Indicators for Functional Diagnostics with a Low-Phototoxic Spontaneously Blinking Probe”為題，發表在《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上。該工作的第一作者是我所1818組喬慶龍副研究員。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、我所創新基金等項目的資助。(文/圖 喬慶龍、徐兆超)