基于螺环化策略的pH敏感荧光探针CBTOH实现活细胞溶酶体酸性环境精准监测

研究人员针对极端酸性环境(pH<3.0)荧光探针稀缺的科学难题，开发了基于螺环化机制的pH敏感探针CBTOH。该探针在pH 2-3.5时通过螺内酰胺开环产生119倍荧光增强(λem =611 nm)，具有优异的光稳定性和溶酶体靶向性，成功应用于HeLa细胞和斑马鱼模型中药物(如雷帕霉素)诱导的溶酶体pH波动监测，为研究溶酶体相关疾病机制提供了新方法。

　　

在细胞这个精密运转的"微型工厂"中，溶酶体相当于负责垃圾处理的回收站，其酸性环境(pH 4.0-5.5)对维持水解酶活性和细胞稳态至关重要。然而这个"酸性王国"的pH失衡与癌症、神经退行性疾病等密切相关。目前科学家们面临两大挑战：一是现有荧光探针多适用于弱酸/碱性环境，极端酸性(pH<3.0)监测工具稀缺；二是传统探针难以兼顾高灵敏度与细胞器特异性。就像缺乏精准的pH计，科学家们难以捕捉溶酶体这个"酸性心脏"的微妙波动。

吉林省科技发展计划项目支持的研究团队在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》发表的研究中，创新性地设计出基于螺环化开关的分子探针CBTOH。这个聪明的"分子间谍"能在强酸环境下"变形"——当pH降至2-3.5时，其螺内酰胺(spirolactam)结构像弹簧般打开，引发分子内电荷转移(ICT)增强，发出119倍强度提升的红色荧光(611 nm)。更妙的是，它能在酸碱变化中可逆切换，像精准的pH记录仪般实时追踪溶酶体的酸碱起伏。

研究团队运用紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱分析探针光学特性，通过共聚焦荧光成像验证其在HeLa细胞和斑马鱼模型的溶酶体靶向能力，并采用药物干预实验(雷帕霉素诱导)证实其监测内源性pH变化的能力。

【合成】
通过三步反应构建CBTOH分子骨架，关键步骤涉及化合物1与2在甲苯中110°C回流12小时，最终产物经核磁共振和高分辨质谱确证结构。

【光物理性质】
在BRB缓冲液/DMSO(9:1)体系中，pH 2.0时吸收峰蓝移至519 nm，荧光强度较中性环境提升119倍。探针在pH 2.0-3.5区间呈现线性响应，pK_a
值为3.08，且对常见生物离子和氨基酸保持优异选择性。

【细胞成像】
共聚焦成像显示CBTOH特异性定位于溶酶体(与LysoTracker共定位系数0.93)，成功捕获雷帕霉素处理导致的溶酶体碱化过程，证实其动态监测能力。

【斑马鱼实验】
在活体模型中实现溶酶体pH可视化，为在体研究提供了新工具。

这项研究突破了极端酸性环境监测的技术瓶颈，CBTOH探针犹如植入溶酶体的"酸碱雷达"，其119倍的荧光增强效应创造了同类探针的灵敏度纪录。更重要的是，该技术为研究溶酶体相关疾病(如溶酶体贮积症)和药物作用机制提供了方法论创新——当用雷帕霉素处理细胞时，科学家能像观看酸碱变化的"慢镜头"般捕捉到溶酶体细微的pH波动。这种时空分辨率极高的监测手段，将助力揭示从癌症到神经退行性疾病中溶酶体功能障碍的分子奥秘，为精准医疗提供新的研究范式。