金属离子荧光成像研究前景广阔

2015年7月20-24日，“第十七届国际生物无机化学会议”在北京国家会议中心盛大召开。本次会议由中国化学会和国家自然科学基金委员会主办，北京航空航天大学承办，会议以“生物无机化学：交叉和合作”为主题，设立5个分会场和若干卫星会，5个分会场又分别包含二到四个主题。会议规模大，参会人员来自世界不同国家的高等院校、化学或生物及相关领域的科研院所，具有很强的代表性和前瞻性。而面对无机生物化学领域如此众多的前沿研究方向，笔者更关注的是与疾病相关的金属离子的荧光成像技术。

　　实际上，金属离子对于机体的很多生命活动都是十分重要和必要的，细胞内金属离子动态平衡一旦失调就可能导致许多疾病，比如神经退行性疾病、癌症和糖尿病等。已经有研究发现，在神经退行性疾病患者的脑组织中有过渡金属离子的过多累积，比如铜、锌和铁离子。因此，如何获取这些金属离子在组织、细胞，甚至是细胞器中的分布和含量信息，对于理解某些疾病以及新的诊断方法的开发就显得尤为重要。

　　而荧光成像可通过一种非接触和无损伤的方式，为我们提供一种检测细胞内金属离子的独特方法，这种方法有很高的空间和时间准确性。在细胞生物学领域内，该方法在进一步理解金属离子的生理和病理功能方面具有广阔的应用前景。具体到荧光成像中的一个重要元素——荧光探针而言，它应具备以下几个功能：对于目标金属离子的高选择性、对金属离子浓度原位定量分析的宽的动态范围，以及描述金属离子在细胞内分布的细胞器靶向能力。

　　当前对于荧光探针的研究也主要集中在如何提高探针的灵敏度和选择性，扩展可检测金属离子的范围，发展新的检测机理等方面。以上这些趋势从本次会议的相关报告中也可略见端倪。

　　加利福尼亚大学伯克利分校的Christopher J. Chang博士当前正在开发一种新的分子成像方法，以用于研究调控大脑活动背后的化学原因。他的报告向听众展示了过渡金属和活性氧、硫、碳等作为新的化学信号来源方面的研究发现，以及它们对于神经回路的影响。此外，据笔者会下了解，该课题组还开发出一种新型铜离子探针—CF3，这种探针在敏感性和亲水性方面均有提高，可以分别用于单光子和双光子成像。据悉，他们已经将这种新探针用于共聚焦或双光子成像扫描，以检测大鼠海马组织和视网膜组织中的铜离子。

Christopher J. Chang

　　光活性分子的光解对于追踪细胞功能的复杂性和其动力学过程很有帮助，但目前大多数光解系统依赖于高强度紫外线或可见光来激发光活化过程。但是，短波长的光照射不可避免地会导致细胞损伤，并且组织穿透性较低，这些都限制了短波长光源在体内和体外生物系统研究中的应用。南洋理工大学的邢本刚博士为我们带来了一种解决上述问题的方法，该研究小组将多功能的生物活性官能团与镧系掺杂的纳米粒子结合形成颗粒共轭物。在近红外光(NIR)照射下，经由这些颗粒共轭物转化得到的锐利短发射光波能够有效地活化成像探针或相关载荷分子，因此产生明显的原位成像信号，或是得到针对体外和体内处理活化的有效功能。这种新平台有利于生物医学应用中前药活化的靶向控制，更重要的是可以在疾病早期治疗干预中做到实时成像。 

邢本刚

　　当前，不稳定Zn²⁺和硫化氢已被作为可产生光致信号的无机家族新成员。南京大学何卫江博士在报告中介绍了采用不同的策略来开发比例计量型荧光探针，以用于Zn²⁺和硫化氢的定量成像。这种比例计量成像显示出了对于Zn²⁺和硫化氢的诱人的选择性，从而可提供关于上述两种物质的更准确信息，对满足不同研究和促进它们在生物无机化学的发展方面具有十分重要的意义。

何卫江

　　印度塔塔基础研究所化学科学系的Ankona Datta博士的报告主要围绕Mn²⁺荧光探针。由于Mn²⁺与已知配体的亲和力比较低，并且Mn²⁺可以顺磁淬灭荧光染料，所以设计选择性Mn²⁺荧光探针依然是一个挑战。该研究小组将五氮大杂环配体（该五氮大杂环配体包含含氧的“手臂”）与一个BODIPY类荧光标签结合，这样一来，荧光染料初始时被淬灭，而一旦与Mn²⁺键合，则可以得到相当不错的荧光信号强度的增强。

Ankona Datta

　　北京大学的张俊龙博士课题组研究兴趣集中在开发发光金属—Salen(螯合席夫碱)配合物，来用作荧光成像试剂。他们的探针选择锌作为金属发光配合物的中心金属，用于活细胞内质网的单分子成像。同时，该课题组也深入细致地研究了金属种类和细胞摄取以及亚细胞分布之间的关系。

张俊龙

　　为了避免采用时间选通成像技术而导致的自体荧光，来自韩国梨花女子大学Youngmin You博士的研究小组开发了基于环金属铱(Ⅲ)配合物的磷光探针。譬如，他们将金属-螯合-二（2-吡啶甲基）氨基类受体引入到Ir(Ⅲ))复合物来制备Zn(Ⅱ)探针。此外，该研究小组还开发出针对具有氧化还原活性的Cu(Ⅱ)离子和 Cr(Ⅲ)离子的比例计量型磷光探针，以及可用于氧的光敏化过程和细胞器荧光染色的多功能磷光标签。

Youngmin You

　　为了考察不稳定铜离子池在一个生物环境中的性质，佐治亚理工学院Christoph J. Fahrni博士的研究小组开发了一套Cu(Ⅰ)选择性荧光探针和亲和标物。通过对配体结构和荧光标签性质系统的优化（关键步骤），得到了一个具有180倍荧光对比度的Cu(Ⅰ)选择性荧光探针，相应地，其检出限可低至亚ppt范围。

Christoph J. Fahrni

　    编者按：

　　可以预见，金属离子探针未来的发展趋势是更多学科将参与进来，同时也需要生物医学应用的驱动，这就要求化学家和生物学家之间能够更加密切的合作。虽然存在挑战，但是为了能完全理解金属离子的功能，获得一个完整生物体内金属离子动态平衡的成像是很有意义的，也是很有趣的。目前，对于精准的细胞器定位，标准的荧光显微镜可达到的空间分辨率仍然是比较低的。然而，近期的超分辨率荧光显微技术的发展，为荧光探针创造了前所未有的新的发展可能。可以预计，在未来数年内，金属离子荧光探针的研究将得到更加快速的发展。