基于咔巴唑/三苯胺的红色发光探针，用于线粒体粘度成像和肿瘤可视化

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Carbazole/triphenylamine-based red-emitting probes for mitochondrial viscosity imaging and tumor visualization

本研究设计了两类基于D-π-A结构的荧光探针（KS和KN系列），利用碳唑和三苯胺作为电子供体，吡啶衍生物作为受体，实现高灵敏度粘度响应检测。KN1探针（625 nm红发射）在肿瘤组织中可精准成像药物引起的线粒体粘度变化，具有低毒性和独立于膜电位靶向特性，为肿瘤早期诊断提供新工具。

　　

万丽阳|赵云佳|黄成|赵新月|刘开远|王辉|胡雷

中国芜湖皖南医学院代谢性疾病药物基础研究创新中心

摘要

线粒体常被称为细胞的“动力工厂”，在许多细胞生理过程中起着核心作用。线粒体粘度的变化与肿瘤代谢密切相关。基于此，我们设计了一系列对粘度敏感的线粒体荧光探针KS1-KS3和KN1-KN3，分别以咔唑和三苯胺作为构建块。这些探针对粘度具有特异性敏感性，并能在一定的粘度范围内实现定量检测。细胞毒性实验表明，KN和KS系列探针的毒性较低。除KS3外，所有探针均能有效靶向线粒体。值得注意的是，红色发光探针KN1能够独立于线粒体膜电位（MMP）准确地定位在线粒体中，并能检测到药物引起的线粒体粘度变化。此外，KN1还能在体外清晰地成像肿瘤组织。这项工作不仅为肿瘤成像提供了一种有前景的可视化工具，还展示了粘度敏感探针在癌症诊断中的转化潜力。

引言

肿瘤对人类健康影响深远，已成为一个重要的全球性健康问题，也是公共卫生议程中的优先关注点。早期诊断和治疗肿瘤对于预防和控制这种疾病至关重要[1]，[2]。研究表明，恶性肿瘤的发生通常伴随着细胞微环境的变化。粘度是细胞微环境的一个重要参数，与多种生理过程的调节密切相关，例如酶活性的调节、细胞间信号的传递、蛋白质的聚集状态以及生物分子的扩散行为。因此，粘度的异常变化往往是恶性肿瘤早期诊断和疗效评估的重要生物标志物[3]，[4]，[5]。作为细胞内的关键细胞器，线粒体对这些微环境变化特别敏感。此外，线粒体作为细胞内的“能量工厂”和调节中心，不仅调控着能量转移、信号转导和细胞凋亡等核心生理过程，其功能障碍也会表现为粘度异常，从而损害细胞内部结构并显著增加恶性肿瘤的风险。尤其是在癌细胞中，伴随异常增殖的加速代谢进一步改变了线粒体的粘度，形成了一个恶性循环[6]，[7]，[8]。因此，检测线粒体粘度的动态变化在肿瘤的发生、发展、治疗和诊断中具有巨大潜力。

目前，已有多种方法可用于检测线粒体粘度，这一领域也受到了广泛关注。由此产生了许多检测方法，如毛细管粘度计、磁扭动细胞技术、拉曼光谱和荧光成像等。然而，这些检测方法操作复杂且成本较高，难以实现便捷的检测[9]，[10]，[11]。其中，荧光成像技术作为一种新兴的技术方法脱颖而出[12]。小分子荧光探针凭借其高灵敏度、快速检测响应和非侵入性操作优势，能够精确识别并动态追踪活体生物体内的目标生物活性物质。这种实时监测功能使其成为生命科学研究中的有效工具[13]，[14]，[15]。目前，大多数用于粘度检测的荧光探针都是基于分子内电荷转移（TICT）机制设计的。其原理是在高粘度环境中，分子的旋转受到限制，TICT过程受到抑制，从而导致荧光显著增强。基于TICT机制设计的荧光探针通常在定量粘度检测方面具有显著优势[16]，[17]。此外，发红光（>600 nm）的荧光探针具有更好的组织穿透能力，能有效抑制背景自荧光，提高信噪比，从而提高成像的灵敏度和清晰度[18]。因此，基于TICT机制设计红色发光荧光探针以检测线粒体粘度在肿瘤诊断中具有重要意义。

基于上述背景，我们选用咔唑和三苯胺作为电子供体（D），并引入不同烷基链长度（乙基、丁基、癸基）的吡啶衍生物作为电子受体（A）。通过π桥构建了两个荧光探针系列：KS系列（以咔唑为供体）和KN系列（以三苯胺为供体）（见图S1和图S2）。这一设计策略基于以下考虑：（1）咔唑基团具有刚性的平面结构、广泛的π共轭和强电子供体能力，因此在荧光探针和发光材料的制备中广泛应用[19]，[20]，[21]；（2）三苯胺基团具有类似的共轭系统、良好的生物相容性，也可作为有效的电子供体，从而扩展了探针在生物传感中的应用范围[22]，[23]；（3）苯乙烯-吡啶鎓基团通过其独特的两亲性结构（亲脂性的苯乙烯基团和带正电的吡啶鎓基团）实现在线粒体上的精确靶向[24]，[25]，[26]；此外，吡啶单元在分子电荷转移过程中也起到强大的电子受体（A）作用[27]。引入叔丁基单元不仅导致分子光谱特征的红移，还有助于加速分子内的电荷转移（ICT），增强电子供体的电子供体能力[28]，[29]，[30]。研究表明，KS和KN系列探针在粘度检测中表现出极高的灵敏度。烷基链长度的变化对探针的粘度响应性能没有明显系统性影响。细胞毒性实验表明，这些探针的毒性较低，并且具有精确的线粒体靶向能力（KS3除外）。特别是KN1表现优异：它在甘油中的发射波长为625 nm，荧光强度约为甲醇中的100倍；同时具有出色的抗干扰能力，并且能够独立于线粒体膜电位（MMP）稳定地靶向线粒体。此外，它能灵敏地监测药物引起的线粒体粘度变化，并已成功应用于肿瘤组织成像，为早期肿瘤诊断提供了一种有前景的新策略。

部分内容摘要

光学光物理性质

为了研究KN1-KN3和KS1-KS3探针的光物理性质，我们首先在DMSO溶剂中对其UV–vis吸收光谱进行了初步分析，结果如图1A和S3所示。观察结果表明，KN1-KN3和KS1-KS3探针在200 nm至600 nm范围内显示出两个吸收峰。据此我们推测，200 nm至450 nm范围内的吸收峰可能是咔唑和三苯胺的π-π*跃迁所致。

结论

总结来说，我们设计并合成了两种以D-π-A结构为特征的线粒体靶向荧光探针系列（KS和KN），分别使用咔唑和三苯胺作为电子供体，吡啶衍生物作为电子受体。系统的光物理表征证实，这两个系列探针对粘度具有特异性和敏感的荧光响应，荧光强度与介质粘度在0.54–945 cp范围内呈强正相关。

CRediT作者贡献声明

万丽阳：撰写——原始草稿、验证、监督、软件使用、资源准备、方法学设计、数据整理。 赵云佳：资源准备、方法学设计、实验研究、数据整理。 黄成：资源准备、方法学设计、实验研究。 赵新月：资源准备、实验研究。 刘开远：方法学设计、实验研究。 王辉：撰写——审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督、资金申请、概念构思。 胡雷：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（22575177）、安徽省高等学校自然科学基金重点项目（2023AH051762、2023AH051747、2025AHGXZK30003）、皖南医学院学术和技术领军人才支持计划、安徽省大学生创新创业培训计划（S202510368012、S202510368041、S202510368013）以及国家创新创业培训计划的支持。