北京大學化學與分子工程學院張俊龍教授、陳興教授與中國科學院化學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，通過代謝標記策略與點擊化學反應，特異性地標記細胞中多種類型的生物大分子，實現了多色成像以及基于點擊化學的膨脹顯微成像（Click-ExM），并成功將NIR熒光成像和質譜成像聯用，實現了亞細胞分辨率的雙模態(tài)成像。

圖1. 生物正交的稀土近紅外分子探針對生物分子的特異性標記及成像示意圖

近20年來，新型熒光顯微成像技術幫助人們能夠獲取特定生物分子在時間和空間上的精細分布信息。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)點愈加受到關注。然而，常見的NIR熒光團，如碳納米管、半導體聚合物、量子點和花菁類有機染料等生物相容性差或存在化學和光穩(wěn)定性低或量子產率低等缺點。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熒光成像和光動力療法于一體的稀土探針（Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 6177-6209）。但是，如何對細胞中生物分子進行特異性標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合成路線

在本工作中，他們設計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。通過點擊化學反應，該類配合物可高效標記特定生物分子，同時NIR熒光在標記后顯著提升。隨后，將該類稀土分子探針與代謝標記策略結合，實現了對細胞中DNA、RNA、蛋白質和聚糖的NIR熒光成像。該類稀土分子探針適配于經典的熒光標記手段，如免疫熒光、商用化學探針標記等，驗證了多色、多靶標熒光成像的“概念性”應用。與陳興教授課題組近期開發(fā)的基于點擊化學的膨脹顯微成像（Click-ExM，Nat. Methods 2021, 18, 107-113），對細胞中唾液酸修飾的糖蛋白進行了高分辨的NIR熒光成像，進一步將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）標記唾液酸修飾糖蛋白

二次離子質譜（SIMS），包括NanoSIMS和ToF-SIMS，最近被廣泛應用于植物、微生物和病理樣品的分析與檢測。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應用于成像單細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，在單細胞質譜成像領域具有獨有的優(yōu)勢。因此，將該類稀土分子探針應用于細胞中DNA、RNA、蛋白質和聚糖的ToF-SIMS成像，實現NIR熒光成像和SIMS成像的結合，對細胞中新生DNA進行了雙模態(tài)成像，展示了稀土在分子成像中的獨特性。

圖4. 細胞新生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研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心以及化學與精細化工廣東省實驗室等科研基金的資助。

來源：北京大學