细胞质膜（PM）是细胞内外环境之间的物理屏障，维持着各种生物细胞的完整性。同时PM在细胞生物学中发挥着关键作用，包括细胞的迁移和扩散、膜运输和信号转导等。此外，PM的异常是某些疾病（如癌症）的潜在生物标记物。因此，监测PM的时空变化对膜功能的研究和膜相关疾病的诊断具有重要意义。然而，目前的PM荧光探针存在选择性差、信噪比低、和滞留时间短等缺陷,导致其应用严重受限。我院“生命分析技术与材料”团队吴明雨博士就以上问题展开了系统的研究，在PM靶向荧光成像和光学诊疗方面取得系列研究成果。
针对质膜探针普遍存在滞留时间短这一问题，项目组基于磷脂双分子层两亲性结构特征，在传统的苯乙烯类质膜荧光探针的基础上，采用两亲性设计策略，并通过对称的分子结构及其整体折叠构型增加探针跨膜的阻力，设计合成了一种两亲性聚集诱导发射（AIE）的远红外荧光探针，将质膜示踪时间由商用或文献报道探针的30 min提高到6 h。该成果以“Cancer cell-selective aggregation-induced emission probe for long-term plasma membrane imaging”为题发表于Cell press期刊《Cell Report Physical Science, 2022, 3, 100735》。全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386421004665
吞噬作用是细胞识别和内化细胞外物质的基本细胞过程，是多细胞生物先天免疫的重要机制。PM在吞噬早期通过膜重塑介导吞噬过程中扮演了关键的角色，这一特征使其成为吞噬过程的直接监测对象。项目组以PM为靶点，根据具有扭曲构型的AIE荧光探针在与质膜结合后其构型受吞噬作用过程中膜环境的动态变化而变化这一现象，成功合成了一种特异性靶向PM的近红外荧光探针，首次实现了对吞噬作用的动态过程实施实时荧光寿命监测。TBTCP具有染色快、免洗、信噪比高（信噪比分别是常用质膜探针DiO和CellMask Green的7.2倍和5.1倍）、光稳定性好等特点，可通过监测TBTCP的荧光寿命来记录巨噬细胞对不同种类细菌和不同大小的二氧化硅颗粒的早期吞噬全过程。这一研究可以对细菌的早期入侵提供及时的预警。该成果以“A near-infrared plasma membrane specific AIE probe for fluorescence lifetime imaging of phagocytosis”为题发表于中国科技期刊卓越行动计划《Science China Chemistry, Doi: 10.1007/s11426-021-1199-6》IF9.445。
髓鞘是包围和隔离神经轴突的结构，是中枢神经系统的重要组成部分。对脑组织中髓鞘纤维进行可视化研究在很大程度上有助于髓鞘相关疾病的诊断和大脑功能的理解。而目前应用最广泛的髓鞘可视化荧光探针，如Vybrant DiD和FluoroMyelin，其背景荧光干扰大、对比度低和组织渗透性差，这些缺点极大地限制了其在三维成像和髓鞘示踪中的应用。在上述研究的基础上，该项目组基于髓鞘多层质膜的结构特性，通过两亲性的策略成功开发了一种具有AIE性质的近红外荧光探针PM-ML，探针分子在与髓鞘多层质膜结合后能够实现荧光信号点亮并放大的特性显著提高其信噪比，用于高性能髓鞘成像。PM-ML具有髓鞘质膜靶向特性，同时具有良好的光稳定性，能特异性标记出游离坐骨神经和小鼠脑组织中的有髓纤维，可用于髓鞘、髓鞘纤维和束状细胞的三维可视化，具有较高的穿透深度。PM-ML染色与几种组织清理方法兼容，同时在神经病理学研究中评估髓鞘形成的应用也在多发性硬化症小鼠模型中得到证实。该项目成功构建了高空间分辨率的有髓纤维三维荧光成像探针，极大地促进了对三维神经网络和脱髓鞘疾病病理生理学的理解，对髓鞘相关疾病的研究作出巨大的贡献。该成果以“A near-infrared AIE flfluorescent probe for myelin imaging: From sciatic nerve to the optically cleared brain tissue in 3D”为题发表于综合类国际顶级期刊PNAS上《Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2021, 118, e2106143118》IF11.205。全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2106143118
人类冠状病毒（包括COVID-19）是一种包膜病毒，其衣壳和遗传物质覆盖着脂质双分子层，可对宿主细胞外的病毒提供额外保护。由于病毒表面蛋白在不同的人类冠状病毒种类和突变体之间存在差异，而病毒的共有成分双分子脂膜可能是人类冠状病毒通用的靶点。基于此，在熟练应用PM靶向策略以及荧光探针设计理论和实践经验的基础上，项目组成功设计并合成了一种膜靶向AIE近红外光敏剂DTTPB，其可以特异性地靶向人类冠状病毒的脂质双分子层，实现靶向光动力灭活。DTTPB具有覆盖整个可见光范围的宽吸收带和较高的摩尔吸收系数以及高的ROS产率，可用于病毒的高效灭活，有效抑制冠状病毒在环境中的生存和传播。为冠状病毒的灭活和新冠疫情的防控提供了一条有效且独特的预防策略。该成果以“A Membrane-Targeting Photosensitizer with Aggregation Induced Emission Characteristics for Highly Efficient Photodynamic Combat of Human Coronaviruses”为题发表于国际期刊《Small, 2021, 17, 2101770》IF 13.281。全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101770
以上论文，我院吴明雨博士均为第一作者，卡洛琳医学院Sijie Chen为通讯作者，所有研究均得到封顺教授的大力支持！以上研究得到国家自然科学基金（22177094, 21708030）和四川省科技厅应用基础研究项目（2021YJ0397）等基金的支持！
