基于硼酸基团荧光探针的简易设计与合成及其在监测线粒体ATP动态变化中的应用

研究人员针对细胞内ATP水平异常波动与多种疾病密切相关的科学问题，设计开发了基于四苯乙烯(TPE)和三苯胺(TPA)的六种新型荧光探针(TPE-P1/2/3、TPA-P4/5/6)。通过硼酸基团和氮正电荷位点特异性识别ATP，筛选出具有长波长发射、大斯托克斯位移的优选探针TPA-P4，成功实现线粒体ATP动态成像，并应用于肝癌细胞鉴别及肝损伤炎症监测，为疾病诊断提供了新工具。

　　

研究背景与意义
细胞内的三磷酸腺苷(ATP)被称为"能量货币"，其浓度异常与阿尔茨海默病、帕金森病乃至恶性肿瘤等重大疾病密切相关。然而，现有ATP检测技术面临发射波长短、合成复杂等瓶颈。更棘手的是，线粒体作为ATP合成工厂，其动态能量变化难以精准捕捉。这就像试图用模糊的望远镜观察星辰的闪烁——传统方法无法清晰捕捉生命最基础的能量脉动。

南京大学的研究团队在《Talanta》发表的研究中，巧妙利用聚集诱导发光(AIE)现象，将四苯乙烯(TPE)和三苯胺(TPA)两类"明星荧光团"与硼酸基团结合，构建了六种结构可调的分子探针。这些探针如同特制的分子级传感器，不仅能穿透细胞膜锁定线粒体，还能通过荧光信号的变化实时"直播"ATP的浓度波动。

关键技术方法
研究采用分子内电荷转移(ICT)效应设计D-π-A结构探针，通过核磁共振(¹H/¹³C NMR)和质谱验证结构。使用稳态瞬态荧光光谱仪(FLS980)测定量子产率，通过共聚焦成像验证线粒体靶向性。实验选用正常肝细胞(LO2)和肝癌细胞(HepG2)作为模型，并建立肝损伤炎症样本队列。

研究结果

1. 探针设计与光学特性
六种探针均展现>150 nm的斯托克斯位移，其中TPA-P4在600 nm处发射，有效避免生物自发荧光干扰。理论计算显示，其硼酸基团与ATP的磷酸根形成稳定复合物，结合常数达4.7×10⁴ M^-1。

2. 选择性验证
在ADP、AMP等干扰物存在时，TPA-P4对ATP的荧光增强倍数达28倍，检测限23.8 nM，较传统罗丹明类探针提升两个数量级。关键发现是其苯并噻唑鎓结构能特异性识别ATP的β-磷酸基团。

3. 细胞成像应用
共聚焦成像显示探针与线粒体标记物MitoTracker重合率达92%。在CCCP(线粒体解偶联剂)处理组中，荧光强度下降63%，证实其可监测线粒体功能障碍。

4. 疾病鉴别潜力
肝癌细胞HepG2的荧光强度是正常LO2细胞的2.3倍，与ATP含量测定结果高度一致(p<0.01)。在乙酰氨基酚诱导的肝损伤模型中，炎症区域的荧光信号升高3.1倍。

结论与展望
该研究通过AIEgens的理性设计，创造了首个能区分癌变与正常细胞的ATP探针TPA-P4。其创新性在于将硼酸基团的识别能力与TPA的ICT效应协同放大，解决了传统探针"看得见但分不清"的难题。未来或可开发为术中导航工具，为肿瘤边界界定提供分子级可视化方案。值得注意的是，探针在肝损伤模型中的表现，为代谢性疾病研究开辟了新路径。