近日，万喜堂·(中国)责任有限公司化学与材料科学学院钱兆生教授课题组联合生命科学学院金志刚教授课题组在国际顶级综合性化学期刊Chemical Science上在线发表论文Charge-Regulated Fluorescent Anchors Enable High-Fidelity Tracking of Plasma Membrane Dynamics During Biological Events。 Chemical Science是英国皇家化学会(RSC)的旗舰期刊， SCI分区属化学类一区。
细胞质膜作为生命活动最基本单位的重要组成之一，发挥着维持细胞活力、确保细胞完整性等重要功能。在许多重要的生物事件中，如细胞膜损伤和修复、细胞融合、胞质分裂和增殖等，通常伴随着质膜形态和动力学的显著变化。因此，对质膜动态变化的高保真监测为精确观察和深入了解各种生物事件提供了直观和确凿的信息。许多生物过程通常需要长期的可视化工具来观察质膜的时间尺度动态变化。在此前的相关研究工作中，钱兆生教授课题组提出了“抗渗透”的设计策略，合理精准地设计出了可用于植物细胞质膜“高特异性”、“超长时间成像”的TPD系列以及APMem系列近红外荧光探针。然而，目前仍然缺乏可用于长时间跟踪细胞重要生物学事件的小分子质膜荧光探针的通用性设计规则。
为了揭示细胞质膜荧光染料的构效关系，钱兆生教授课题组提出了一种通用的“模块化”质膜荧光染料设计策略，该策略将探针分子骨架规范性地分为中心发光模块、靶向模块、抗渗模块以及可溶性模块，证明了抗渗透性模块的在延长成像时间有效性并揭示了荧光染料的电荷数目和种类对质膜锚定能力的关键调控作用。通过系统地研究带有不同电荷数目和电荷种类的探针其分子结构与其成像性能之间的构效关系，发现了具有强质膜“锚定”能力的荧光探针往往需要在分子骨架上引入较多数目以及适当种类的正电荷。该工作所构建的 CSP-DBO 探针在染色动植物细胞质膜时具有很强的质膜特异性及质膜锚定能力，并具有良好的生物相容性，可用于多种类型动植物细胞的质膜高清成像，并成功实现对细胞融合、细胞分裂等重要生理过程的实时跟踪，进一步研究了在线虫等活体中的成像和代谢过程。
▲Scheme 1. (a) 细胞质膜荧光锚定物的设计规则示意图；(b) 电荷调控下的荧光质膜锚定剂的整体性能；(c) 展示了荧光质膜锚定剂的广泛应用（动植物细胞质膜的特异性标记，实时追踪细胞膜流动性，以及重要生物事件如胞质分裂、细胞融合和膜损伤等）。
模块化设计实现高特异性质膜成像
在模块化设计策略中，课题组在前期工作汇总已经揭示了作为靶向模块的饱和烷基链与染料对质膜锚定能力之间的构效关系，提出了一种烷基链调控锚定能力的设计策略。本研究工作中，主要揭示了锚定模块的带电基团与染料分子对质膜锚定能力之间的构效关系，提出了一种通过调控电荷数目和带电基团种类的强锚定策略，构建了一系列细胞质膜的荧光锚定剂，并成功用于长时间跟踪重要生物学事件的质膜形态变化过程和活体成像。该设计规则的提出将有利于指导长时间成像细胞质膜荧光染料的设计与构建，有望极大拓展细胞质膜在细胞和活体层面对重要生理过程应用，发展新型的4D成像工具。
“荧光锚”高保真动态监测生物学事件及活体成像
活细胞容易受到病原体、化学物质、炎症反应和机械应激引起的质膜损伤，但目前还缺乏能够跟踪质膜损伤过程的可视化工具。为了进一步比较它们在质膜锚定能力方面的差异，进一步跟踪了在长时间质膜损伤过程中质膜特异性标记能力。如图1所示，CSP-DBO可在较长时间内动态监测质膜损伤过程，CSP-DBO追踪的化学诱导的质膜损伤过程也为研究植物细胞应对化学刺激的生理反应提供了宝贵的工具和手段。
▲图1. 用CSP-DBO染色的拟南芥幼苗根尖细胞长时间成像结果（A,B）及CSP-DBO用于监测化学诱导的质膜损伤过程中植物细胞质膜的形态学变化（C-F）。
通过与商品化染料CellMask比较，设计的荧光染料在对细胞质膜的成像特异性、细胞成像普适性和成像时长等方面均表现出较大的优势。钱兆生教授课题组进一步将设计的荧光染料CSP-DBO应用于各种动物细胞的质膜成像，并实现了对质膜相关生理过程的动态追踪，包括细胞分裂以及细胞融合等，并以直观的方式验证了细胞质膜的流动性这一典型特征。设计的荧光染料CSP-DBO具有良好的生物相容性，不仅可以用于活体成像，而且可用于监测线虫等生物体内分解代谢的脂类副产物，如脂褐素，以反映体内的衰老过程。
▲图2. CSP系列探针及商品化探针染色的不同类型动物细胞系激光扫描共聚焦成像。
▲图3. 开发染料对细胞生物事件的实时跟踪和线虫活体中的成像与代谢过程。
该研究最大意义的在于，提出了合理且精准的模块化设计策略，揭示了抗渗模块中电荷基团与染料分子对质膜锚定能力之间的构效关系，开发了性能优异的可用于动植物细胞乃至活体层次的膜特异性成像探针分子。通过系统地研究电荷的数目及种类对探针分子的成像性能的影响，揭示了电荷在分子设计中抗渗模块的关键性作用，为长时间连续监测与质膜相关的生物生理过程提供了有力工具。前期相关科研成果已经在化学领域权威刊物Chemical Science、Analytical Chemistry等期刊发表4篇论文。 目前，钱兆生教授课题基于该相关成果正在开展产品研发，有望近期研发细胞膜荧光探针产品APMem系列，并且也正在与国内百灵威等公司展开积极推介，希望与相关国内生物科技公司合作共同研发，尽快在该领域实现国产取代进口。
该项目得到了浙江省杰出青年基金和浙江省重点项目 (LZ24B050001，LY22B050001)的资助，万喜堂·(中国)责任有限公司为该论文唯一完成单位和通讯单位。万喜堂·(中国)责任有限公司化学与材料科学学院2022级博士研究生左佳琦为第一作者，生命科学学院2022级硕士研究生彭奥辉为共同第一作者，钱兆生教授以及金志刚教授为本论文的共同通讯作者，张可伟教授以及朱恩高博士为本研究相关工作提供了大力支持。
编辑：盛灿灿
