北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院張俊龍教授、陳興教授與中國科學(xué)院化學(xué)研究所趙耀副研究員等在AngewandteChemie International Edition雜志上發(fā)表了題為“Bioorthogonal Lanthanide Molecular Probes for Near-Infrared Fluorescence and Mass Spectrometry Imaging”的研究論文，并被選為VIP（very important paper）論文。該工作報(bào)道了首例可生物正交的、高亮度的近紅外（NIR）稀土配合物分子探針，通過代謝標(biāo)記策略與點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，特異性地標(biāo)記細(xì)胞中多種類型的生物大分子，實(shí)現(xiàn)了多色成像以及基于點(diǎn)擊化學(xué)的膨脹顯微成像（Click-ExM），并成功將NIR熒光成像和質(zhì)譜成像聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了亞細(xì)胞分辨率的雙模態(tài)成像。

圖1. 生物正交的稀土近紅外分子探針對(duì)生物分子的特異性標(biāo)記及成像示意圖

近20年來，新型熒光顯微成像技術(shù)幫助人們能夠獲取特定生物分子在時(shí)間和空間上的精細(xì)分布信息。其中，新型熒光探針在其中扮演著不可或缺的角色。近紅外熒光成像（700–1700nm）因其高組織穿透能力、低背景熒光等諸多優(yōu)點(diǎn)愈加受到關(guān)注。然而，常見的NIR熒光團(tuán)，如碳納米管、半導(dǎo)體聚合物、量子點(diǎn)和花菁類有機(jī)染料等生物相容性差或存在化學(xué)和光穩(wěn)定性低或量子產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。稀土配合物發(fā)光源自禁阻的f-f躍遷，并具有銳利且長熒光壽命的特征發(fā)射峰，有望成為新一代近紅外探針。張俊龍課題組聚焦鐿（Yb³⁺）配合物，發(fā)展了集NIR熒光成像和光動(dòng)力療法于一體的稀土探針（Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 6177-6209）。但是，如何對(duì)細(xì)胞中生物分子進(jìn)行特異性標(biāo)記和成像仍具有挑戰(zhàn)性。

圖2. 生物正交的NIR稀土分子探針的化學(xué)合成路線

在本工作中，他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了疊氮化或炔烴官能化的水溶性稀土（Yb，Er，Nd）配合物。通過點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，該類配合物可高效標(biāo)記特定生物分子，同時(shí)NIR熒光在標(biāo)記后顯著提升。隨后，將該類稀土分子探針與代謝標(biāo)記策略結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞中DNA、RNA、蛋白質(zhì)和聚糖的NIR熒光成像。該類稀土分子探針適配于經(jīng)典的熒光標(biāo)記手段，如免疫熒光、商用化學(xué)探針標(biāo)記等，驗(yàn)證了多色、多靶標(biāo)熒光成像的“概念性”應(yīng)用。與陳興教授課題組近期開發(fā)的基于點(diǎn)擊化學(xué)的膨脹顯微成像（Click-ExM，Nat. Methods 2021, 18, 107-113），對(duì)細(xì)胞中唾液酸修飾的糖蛋白進(jìn)行了高分辨的NIR熒光成像，進(jìn)一步將ExM成像拓展到NIR窗口的可能性。

圖3. 近紅外膨脹顯微成像（Click-ExM）標(biāo)記唾液酸修飾糖蛋白

二次離子質(zhì)譜（SIMS），包括NanoSIMS和ToF-SIMS，最近被廣泛應(yīng)用于植物、微生物和病理樣品的分析與檢測(cè)。然而生物大分子富含C、H、O、N等元素，缺乏特征片段或分子離子峰，SIMS應(yīng)用于成像單細(xì)胞中特定生物大分子仍十分具有挑戰(zhàn)性。相比而言，稀土元素的同位素選擇范圍廣和在人體中自然豐度低等優(yōu)點(diǎn)，在單細(xì)胞質(zhì)譜成像領(lǐng)域具有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。因此，將該類稀土分子探針應(yīng)用于細(xì)胞中DNA、RNA、蛋白質(zhì)和聚糖的ToF-SIMS成像，實(shí)現(xiàn)NIR熒光成像和SIMS成像的結(jié)合，對(duì)細(xì)胞中新生DNA進(jìn)行了雙模態(tài)成像，展示了稀土在分子成像中的獨(dú)特性。

圖4. 細(xì)胞新生DNA的NIR和SIMS雙模態(tài)成像

該工作中，張俊龍課題組博士生金國慶以及陳興課題組2021屆畢業(yè)生孫德恩博士為該文的共同第一作者，張俊龍、陳興、趙耀為通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心以及化學(xué)與精細(xì)化工廣東省實(shí)驗(yàn)室等科研基金的資助。

來源：北京大學(xué)