基于偶氮香豆素的极性探针，用于靶向不同细胞器以监测铁死亡（ferroptosis）和细胞衰老过程

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Polarity probes targeting different organelles based on aza-coumarin for monitoring ferroptosis and cellular senescence

　　

吴佩妮|齐琳|徐宏迪|孙茹|葛建峰

苏州大学化学、化学工程与材料科学学院，仁爱路199号，苏州215123，中国

摘要

细胞微环境中的极性是一个关键的物理参数，它调节着多种生物过程，其失调与多种疾病密切相关。本研究设计并合成了三种基于含有D-π-A结构的氮杂香豆素荧光团的极性敏感荧光探针（3a-3c），利用了分子内电荷转移（ICT）机制。这些探针在不同溶剂中表现出明显的溶剂致色现象，斯托克斯位移较大（3a-3c分别为3143、2899、3202?cm^?1），显示出优异的极性响应性和生物相容性。共定位实验证实，探针3a-3c在50?nM的低浓度下能够特异性地定位到溶酶体、脂滴（LDs）和内质网（ER），其共定位系数分别为0.93、0.98和0.97。在铁死亡（ferroptosis）实验中，观察到探针3a-3c的荧光强度显著降低（降低了3.3–4.1倍），这突显了其实时监测能力。此外，这些探针还能成功区分正常细胞和衰老细胞之间的极性差异。因此，本研究为阐明细胞极性在铁死亡和细胞衰老等病理生理过程中的作用提供了有力的工具和新的见解。

引言

在各种荧光团中，香豆素和氮杂香豆素衍生物因其显著的斯托克斯位移、高量子产率和优异的生物相容性而成为首选的生物成像工具[1]、[2]、[3]。通过对其7位和3位的取代，可以精细调节它们的光学性质，从而精确控制分子内电荷转移。此外，将4位的碳替换为氮后得到的7-(二烷基氨基)氮杂香豆素具有更好的生物相容性，使得香豆素和氮杂香豆素衍生物能够广泛用于检测生物系统中的各种分析物（表S1）。例如，Chen等人开发了一种香豆素-喹啉杂化近红外探针CQ-1，用于选择性检测作物叶片中的二氧化硫衍生物，并为评估大气污染对作物的影响提供了直观的定量可视化工具[4]。同样，Fan等人设计了一种基于氮杂香豆素的探针AC-ClO，通过光诱导电子转移（PET）机制实现了对次氯酸盐（ClO^?）的快速高灵敏度检测，检测限低至25?nM。该探针可用于巨噬细胞中内源性和外源性ClO^?的荧光成像[5]。然而，现有的探针主要针对特定的化学物质，而实时监测微环境的极性（这是细胞状态的一个关键且动态的指标）仍然研究不足。这在调控性细胞死亡和细胞衰老过程中尤为重要，因为细胞器的极性变化可能反映了潜在的代谢和结构紊乱。

铁死亡是一种由脂质过氧化驱动的铁依赖性细胞死亡形式，与氧化还原失衡和膜破坏有关[6]、[7]。铁死亡失调会导致脂质过氧化积累和膜破坏。在此过程中，细胞内的氧化还原平衡被打破，改变了关键的细胞微环境参数，可能影响细胞器的极性[8]、[9]、[10]。同样，细胞衰老是由DNA损伤等应激因素引发的永久性细胞周期停滞，会导致细胞内环境和微环境的长期改变[11]、[12]、[13]。追踪这些过程中不同细胞器的极性变化可以为理解其机制和进展提供新的见解，但目前用于此类比较和动态监测的工具仍然有限。

本文设计并合成了三种针对不同细胞器（溶酶体、脂滴（LDs）和内质网（ER）的新型极性敏感氮杂香豆素探针。这些探针能够同时和比较地监测铁死亡和细胞衰老过程中多个细胞器的极性变化。这项工作不仅扩展了氮杂香豆素骨架在微环境传感中的应用，还为揭示关键病理生理过程中的细胞器特异性极性动态提供了多功能工具。

章节片段

材料与方法

材料与设备、检测溶液的制备、细胞毒性检测、细胞培养和荧光成像方法以及数据采集的详细信息见支持信息。

3a-3c的制备过程

设计与合成

细胞微环境中的极性是一个关键的物理参数，它调节着多种生物过程，在铁死亡和细胞衰老等病理条件下起着重要作用。为了实现细胞器极性动态的实时监测，本研究基于ICT机制设计并合成了三种极性敏感荧光探针（3a-3c[16]。如图1所示，核心设计策略采用了氮杂香豆素这种具有高

结论

总之，基于ICT理论，成功设计并合成了三种来自氮杂香豆素的极性敏感荧光探针（3a-3c）。这些探针具有优良的光学性质、敏感的极性响应性和低细胞毒性，并且对极性的变化表现出优异的红色荧光响应和开关特性，能够在生理和病理条件下持续监测细胞过程。细胞成像结果表明

作者贡献声明

葛建峰：撰写-审稿与编辑、监督、方法学、资源提供。孙茹：撰写-审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析、方法学。徐宏迪齐琳吴佩妮

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号21977078）的支持，合成部分部分得到了台湾Everlight化学有限公司的资助。