Fluolab【Angew.Chem】自触发光氧化级联机制：用于活细胞超分辨显微成像的新型光激活质膜探针
简介
本研究提出了一种新的光开关机制——自触发光氧化级联（STPC），并利用其开发了一种新型的光激活质膜探针。该探针基于荧光染料罗丹明的温和光敏特性，能够在可见光照射下实现活细胞单分子定位显微术（SMLM），从而实现纳米尺度的质膜成像。
摘要
单分子定位显微术（SMLM）依赖于单分子发射体的时空控制，实现超分辨成像。本研究提出了一种基于光氧化反应的新型光激活探针——质膜靶向的无荧光还原型罗丹明（LRhod-PM）。在可见光照射下，少量氧化罗丹明（Rhod-PM）作为光敏剂生成单线态氧，使LRhod-PM氧化并进入荧光激活状态。此外，该过程在膜双层中快速传播，同时伴随光漂白现象，从而形成自触发光氧化级联机制（STPC）。该现象允许在单分子水平上同步实现激活与漂白，使探针进入单分子闪烁状态，最终支持活细胞超分辨成像。实验结果表明，该机制在高局部浓度下具有优势，能够有效提高光激活和光漂白速率，从而优化SMLM性能。本研究证明了LRhod-PM可作为适用于活细胞成像的新型光激活探针，并成功应用于细胞膜及其复杂结构（如丝状伪足和隧道纳米管）的高分辨成像。
研究结果与讨论
设计与合成
研究者设计了一种基于光氧化反应的新型荧光探针LRhod-PM，并通过化学修饰使其靶向质膜。在氧化条件下，非荧光的LRhod-PM可转化为荧光状态的Rhod-PM。此外，Rhod-PM能够产生单线态氧，使相邻的LRhod-PM氧化，从而实现光激活，同时加速光漂白。
光物理性质与自触发光氧化级联验证
实验表明，Rhod-PM能够温和地产生单线态氧（量子产率约0.69%），足以诱导LRhod-PM光氧化。进一步研究表明，该探针在高局部浓度下表现出显著的光激活效应和光漂白效应，使其成为理想的SMLM探针。此外，探针在膜环境中的扩散性进一步增强了STPC机制，提高了光激活与光漂白速率。
细胞成像实验
在细胞水平上，LRhod-PM通过STPC成功被光激活，并在质膜上形成高信噪比的荧光信号。随后，利用该探针在活细胞中实现SMLM，成像结果表明，相较于常规荧光显微术，该方法能够获得更高的分辨率（约77 nm）。此外，该机制在较低激光功率下仍能提供高效的闪烁频率，进一步降低了成像过程中对细胞的光毒性影响。
成像生物学结构
利用LRhod-PM，研究者成功实现了活细胞超分辨成像，包括细胞质膜、丝状伪足及隧道纳米管等结构。此外，在不同细胞系（A549肺癌细胞和THP-1单核细胞）中，该探针同样表现出良好的成像能力，为细胞动态结构的高分辨研究提供了新方法。
结论
本研究提出了一种新型光开关机制STPC，并成功开发出可用于活细胞SMLM的新型光激活探针LRhod-PM。该探针在可见光照射下即可激活，避免了紫外光激活的光毒性问题，同时能够在低激光功率条件下高效成像。此外，该探针被成功应用于复杂细胞膜结构的超分辨成像，为活细胞成像技术提供了新的突破。未来，该机制或可用于开发多色荧光探针，为生物医学领域提供更多高分辨率成像工具。