ZinPyr家族新型荧光探针ZP1(5/6-en/Me2 en)的开发及其在活细胞锌成像中的应用

本研究针对锌离子(mZn)在神经信号传导中的关键作用及其稳态失衡与神经退行性疾病的关联，开发了四种新型ZinPyr荧光传感器ZP1(5-en)、ZP1(6-en)、ZP1(5-Me2 en)和ZP1(6-Me2 en)。通过修饰ZP1(CO2 H)的羧基为乙二胺(en)或N1 ,N2 -二甲基乙二胺(Me2 en)，研究人员成功获得兼具高动态范围(4.2-5.4)和优异亮度(ΦZn 达0.78)的细胞膜通透性探针。活细胞成像证实其可检测细胞内锌离子(2-3倍荧光增强)，部分探针还表现出核定位特性，为研究锌相关病理机制提供了重要工具。

　　

锌作为人体第二大微量元素，不仅作为3000多种蛋白质的结构组分和辅因子，更以游离态锌(mZn)形式参与中枢神经系统的信号传导。在突触小泡中，mZn浓度可达毫摩尔级，而在胞质中仅为皮摩尔级。这种精确的锌稳态调控对N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)介导的突触可塑性至关重要，其失衡与阿尔茨海默病、癫痫等神经退行性疾病密切相关。然而，现有锌荧光探针在亮度、细胞通透性和定位特异性等方面存在局限，制约着相关研究的深入开展。

为解决这一技术瓶颈，国外研究团队在《Journal of Trace Elements in Medicine and Biology》发表论文，报道了ZinPyr家族四个新成员。研究采用经典的荧光素平台，通过将ZP1(5/6-CO₂
H)的羧基与乙二胺(en)或N¹
,N²
-二甲基乙二胺(Me₂
en)缩合，构建了中性、细胞膜通透的探针。研究综合运用核磁共振、质谱、紫外-可见光谱和荧光光谱等技术表征探针性能，并通过共聚焦显微镜评估其在HeLa细胞中的成像效果。

1. 引言
   研究系统阐述了锌在生理和病理过程中的双重作用，特别强调mZn通过NMDAR调控突触可塑性的分子机制。指出现有ZinPyr探针如ZP1虽具高亮度(Φ·ε_max
   =7.3×10⁴
   )，但动态范围有限(2.4倍)；而羧基化衍生物ZP1(CO₂
   H)虽动态范围提升(3.9倍)，却因带负电荷丧失细胞通透性。

2. 结果与讨论
   通过Scheme 1所示的合成路线，成功获得四个探针，纯度>95%。光谱分析显示：
   • 吸收/发射特性：所有探针λ_abs
   ≈518nm，锌结合后蓝移8-9nm；Φ_free
   维持在0.17-0.20，Φ_Zn
   达0.71-0.78，亮度(6.2-7.0×10⁴
   )超越多数ZinPyr成员。
   • pH响应：在pH8时turn-on达25.6倍(5'-异构体显著优于6'-异构体)，优于ZP1(3.1倍)。
   • 金属选择性：对Zn²⁺
   特异性响应，仅Cd²⁺
   有干扰性结合(3.5倍增强)。

3. 活细胞成像
   在HeLa细胞中，所有探针均实现2-3倍荧光增强。ZP1(6-en)和ZP1(5-Me₂
   en)呈现核定位倾向，其余主要定位于囊泡结构。这种差异可能源于肽键的部分水解或细胞内转运机制。

4. 结论
   该研究创新性地通过羧基修饰策略，成功将ZP1(CO₂
   H)的高动态范围与ZP1的细胞通透性相结合。特别是Me₂
   en修饰的探针展现出更优性能：ZP1(6-Me₂
   en)动态范围达5.4倍，亮度7.0×10⁴
   ，成为目前最亮的ZinPyr探针之一。这些特性使其成为研究锌在神经退行性疾病中作用的强有力工具，为开发靶向特定细胞器的下一代探针奠定基础。