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JACS：共軛齊聚電解質(zhì)分子實(shí)現(xiàn)對(duì)線粒體損傷過程的實(shí)時(shí)成像

來源：化學(xué)加原創(chuàng)      2024-01-24
導(dǎo)讀：近日，新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系Guillermo C. Bazan教授在設(shè)計(jì)合成線粒體靶向的共軛齊聚電解質(zhì)分子方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Real-Time Monitoring of Mitochondrial Damage Using Conjugated Oligoelectrolytes”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。本文報(bào)道了一種可以對(duì)線粒體進(jìn)行熒光可視化的共軛齊聚電解質(zhì)分子COE-CN。該分子以咪嘩鎓作為增溶基團(tuán)，以具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移特性的光學(xué)活性氰乙烯基連接的二苯乙烯基為核心骨架。COE-CN較短的分子長(zhǎng)度使其有利于靶向細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。流式細(xì)胞數(shù)據(jù)表明COE-CN可以用來識(shí)別線粒體損傷的細(xì)胞，在細(xì)胞的診斷分析中具有巨大的應(yīng)用潛力。文章鏈接DOI: 10.1021/jacs.3c10531

正文

線粒體為各種生命活動(dòng)提供能量，參與細(xì)胞分化和細(xì)胞凋亡等過程，在調(diào)節(jié)細(xì)胞功能方面發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)時(shí)程活細(xì)胞探針和超分辨成像染料能夠?qū)€粒體的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其他類型的生物傳感器可以檢測(cè)電壓、陽離子濃度、溫度、極性和粘度等信息。由于線粒體膜電位（MMP）為負(fù)，含三苯基膦基團(tuán)的探針、小分子陽離子染料如Rhodamine 123和TMRM常被用來構(gòu)建線粒體靶向探針。染料積累和膜電位之間的相關(guān)性可以作為檢測(cè)線粒體膜健康狀態(tài)的指標(biāo)。因此，開發(fā)高性能線粒體靶向探針對(duì)于理解細(xì)胞化學(xué)生物學(xué)至關(guān)重要。 膜插層共軛齊聚電解質(zhì)分子（MICOEs）是一類具有光學(xué)活性共軛骨架的分子，其兩側(cè)是離子基團(tuán)，疏水和親水結(jié)構(gòu)中的類脂質(zhì)雙分子層有利于嵌插到膜結(jié)構(gòu)中，從而表現(xiàn)出特異性熒光發(fā)射。雖然如此，有關(guān)COE分子與細(xì)胞相互作用機(jī)制的研究很少被報(bào)道。COE-S6作為一種典型的陽離子低聚苯乙烯（oligo-PV）化合物，細(xì)胞共定位實(shí)驗(yàn)證明其不具有線粒體靶向特性，被細(xì)胞內(nèi)吞后定位在溶酶體中（Scheme 1）。較短的陽離子COEs更傾向于與質(zhì)膜結(jié)合。然而，疏水特性則有利于分子被細(xì)胞攝取，嵌插到膜結(jié)構(gòu)中?；诖耍髡咴O(shè)計(jì)了以咪唑作為增溶基團(tuán)，氰乙烯基連接的二苯乙烯基為核心骨架的分子COE-CN。該分子可以對(duì)細(xì)胞器進(jìn)行成像并可以對(duì)線粒體損傷的細(xì)胞進(jìn)行區(qū)分。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，更加方便，更多收獲。

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Scheme 1. COE-CN（線粒體靶向）、COE-S6（溶酶體靶向）和COE-BO（溶酶體靶向）的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其在細(xì)胞內(nèi)積累的示意圖

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

作者合成了水溶性化合物COE-CN。相比于COE-S6，該化合物較短的分子鏈長(zhǎng)和較大的總極性表面積（TPSA）將削弱其疏水特性，使分子不易于與質(zhì)膜結(jié)合。如Figure 1a所示，COE-CN在磷酸鹽緩沖液（PBS）和小單層囊泡（SUV）中的吸收峰位置分別位于392 nm和435 nm，PBS中分子的發(fā)射峰位置為525 nm。此外，COE-CN在SUV中的發(fā)射強(qiáng)度較高，也進(jìn)一步說明分子在嵌插到極性小的脂質(zhì)雙分子層中的發(fā)光會(huì)增強(qiáng)（Figure 1b）。共聚焦細(xì)胞成像（CLSM）表明COE-CN在較短的染色時(shí)間內(nèi)即可定位到HeLa細(xì)胞中的線粒體，而COE-S6探針只染色了細(xì)胞外圍的結(jié)構(gòu)（Figure 1c）。由于光譜存在重疊，作者選擇COE-CN與COE-BO（溶酶體靶向染料）對(duì)細(xì)胞進(jìn)行共染（Figure 1d）。從細(xì)胞染色速率和細(xì)胞器選擇性的角度都能進(jìn)一步證明COE-CN對(duì)質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的染色效果較差。

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Figure 1. COE-CN的光學(xué)性能

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

為了進(jìn)一步考察COE-CN對(duì)線粒體的染色效果，作者將其與商用線粒體染料MitoTracker Red對(duì)細(xì)胞進(jìn)行共染，共定位系數(shù)達(dá)到0.87（Figure 2a）。如Figure 2b-d所示，COE-CN與SYTO Deep Red（細(xì)胞核靶向染料）、CellMask Deep Red（細(xì)胞膜靶向染料）和LipidTOX Red（脂質(zhì)靶向染料）共染的共定位系數(shù)分別為0.07,0.03和0.07，共定位效果較差，再次證明了COE-CN可實(shí)現(xiàn)對(duì)線粒體的高選擇性靶向。

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Figure 2. COE-CN染色HeLa細(xì)胞的共聚焦圖像

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）
通過對(duì)比COE-CN與商用染料被連續(xù)光照射前后的發(fā)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，該分子表現(xiàn)出良好的光學(xué)穩(wěn)定性，與商用染料性能相當(dāng)。

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Figure 3. COE-CN，MitoTracker Green （MTG），MitoTracker Red（MTR）和 MitoTracker Deep Red（MTDR）在染色HeLa細(xì)胞前后的光學(xué)穩(wěn)定性比較

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

接下來，作者對(duì)HeLa細(xì)胞進(jìn)行處理以誘導(dǎo)線粒體自噬過程。線粒體自噬是以清除功能失調(diào)或多余的線粒體，從而調(diào)整線粒體數(shù)量和保持能量代謝的生理過程。作者將COE-CN與經(jīng)溶酶體相關(guān)的膜蛋白（Lamp1-RFP）轉(zhuǎn)染的細(xì)胞共培養(yǎng)。如Figure 4所示，在未經(jīng)處理的細(xì)胞中，COE-CN能夠呈現(xiàn)出線粒體正常的棒狀形態(tài)。同時(shí)，溶酶體在共聚焦顯微鏡下為清晰的囊泡結(jié)構(gòu)。相比之下，經(jīng)處理發(fā)生線粒體自噬的細(xì)胞中，部分線粒體的結(jié)構(gòu)開始破碎，再次證明了COE-CN可以作為高性能線粒體靶向探針用于觀察活細(xì)胞中線粒體的實(shí)時(shí)生理過程。

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Figure 4. COE-CN染色（a）未處理和（b）CCCP處理的細(xì)胞圖像

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）
最后，作者對(duì)COE-CN染色的細(xì)胞進(jìn)行了流式細(xì)胞分析，以此檢測(cè)免疫細(xì)胞的線粒體膜電位去極化變化和線粒體質(zhì)量，從而預(yù)測(cè)免疫細(xì)胞的代謝狀態(tài)（Figure 5）。處理過后的細(xì)胞群發(fā)生位移，COE-CN的強(qiáng)度有所下降。經(jīng)MitoTracker Red染色的去極化細(xì)胞中的線粒體發(fā)光強(qiáng)度則沒有明顯變化。以上數(shù)據(jù)表明COEs系列化合物可以對(duì)不同化學(xué)成分進(jìn)行分析，因而能區(qū)分細(xì)胞器的狀態(tài)。

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Figure 5. COE-CN染色線粒體的流式細(xì)胞分析

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

總結(jié)

新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系Guillermo C. Bazan教授報(bào)道了一種可以快速靶向線粒體的COE衍生物COE-CN。該分子的特異性與多數(shù)報(bào)道的通過細(xì)胞內(nèi)吞靶向到質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)囊泡的方式有所差異。COE-CN能夠?qū)€粒體進(jìn)行選擇性成像，并能對(duì)線粒體損傷過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，表現(xiàn)出良好的發(fā)光強(qiáng)度和光學(xué)穩(wěn)定性。在不同的細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)中，COE-CN依然能夠保持足夠的成像亮度?；?/span>此，該探針有望作為細(xì)胞器靶向探針用于疾病的診斷當(dāng)中。

文獻(xiàn)詳情：

Samuel J. W. Chan, Ji-Yu Zhu, Wilson Wee Mia Soh, and Guillermo C. Bazan*. Real-Time Monitoring of Mitochondrial Damage Using Conjugated Oligoelectrolytes. J. Am. Chem. Soc. 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c10531

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