从传统医学到先进传感技术：一种基于Fraxin的天然超分子探针，用于视觉pH值检测和体内胃肠道成像

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：From traditional medicine to advanced sensing: A natural Fraxin-based supramolecular probe for visual pH detection and in vivo gastrointestinal imaging

　　

王龙波|张玲华|梁婷婷|高亚萍|康正良|南亚星|强正泽|王燕|安勇

甘肃中医药大学药学院，中国甘肃省730000

摘要

动态监测细胞内pH值稳态对于揭示病理机制和实现疾病的早期诊断至关重要。因此，开发具有高灵敏度、低成本和优异生物相容性的荧光pH探针对生物医学诊断具有重要意义。在这项研究中，我们利用从传统中药Cortex Fraxini中提取的天然小分子Fraxin，构建了一种基于pH诱导的可逆自组装机制的新型荧光探针。实验结果表明，在酸性微环境中，Fraxin保持离散状态且荧光被抑制。当pH值升高到弱碱性范围时，分子通过π-π堆积、氢键和静电相互作用自组装成纳米球结构，从而触发明显的“开-关”荧光响应。该探针在pH值5.6–6.8范围内表现出优异的线性相关性（R²?=?0.9985），并且对环境光干扰具有很强的抗性。在实际应用方面，我们开发了一种基于纸张的传感平台，用于快速筛查药材中的硫熏污染，并建立了一个智能手机辅助的即时检测（POCT）系统，以实现数字化pH监测。在生物成像方面，该探针具有优异的细胞渗透性和特异性线粒体靶向能力。体内研究进一步证明了其在斑马鱼中监测pH变化以及在奥美拉唑处理后小鼠胃酸度实时变化的能力。总体而言，这项研究不仅阐明了Fraxin的超分子组装行为，还为开发天然来源的便携式诊断工具和临床胃肠道疾病监测提供了新的见解。

引言

细胞内pH值稳态对于维持正常的生理功能和代谢过程至关重要[1]。pH值在各种细胞器中具有特定的梯度分布，例如溶酶体（pH?4.5–5.5）和线粒体（pH?~?8.0），并在调节酶活性、离子运输和细胞增殖中起关键作用[2]。局部pH值的异常波动与多种病理状况密切相关。例如，在肿瘤发生过程中，癌细胞通常表现出细胞内碱化和细胞外酸化，这是由“Warburg效应”驱动的，从而促进快速增殖。这种特征性的pH值反转已成为恶性肿瘤早期诊断的关键生物标志物[3]、[4]、[5]。因此，开发能够实时、动态和可视化监测复杂生物系统中pH值变化的工具对于早期疾病诊断和机制研究具有重要意义[6]、[7]。除了生物场景外，精确的pH值监测和调节在更广泛的分析化学和环境分析中也具有根本性意义，正如电化学传感平台和界面吸附行为对介质pH值的强烈依赖性所证明的那样[8]。在现有的检测技术中，荧光成像由于其高灵敏度、非侵入性和优异的时空分辨率而成为生物传感的强大工具[9]、[10]、[11]、[12]。

近年来，基于有机小分子[13]、量子点[14]和金属有机框架（MOFs）[15]开发了多种pH响应荧光探针。为了满足监测复杂生理微环境的需求，构建了复杂的多功能传感平台，包括通过整合BODIPY和半花青素基团生成的脂滴靶向混合探针，以实现pH值和粘度的同时实时检测[16]。然而，这些方法仍面临一些主要限制。传统的合成有机染料通常具有复杂的合成路线、有限的光稳定性以及潜在的细胞毒性，而无机纳米材料可能在生物降解性和长期生物安全性方面存在问题[17]、[18]。因此，探针设计策略逐渐转向从天然产物衍生的小分子探针[19]。例如，吴等人开发了一类基于天然底物的荧光探针，实现了对细胞膜上葡萄糖和酪氨酸转运蛋白的高特异性标记，显著提高了超分辨率成像[20]。同样，吴及其同事设计了一种基于天然松香骨架的极性响应荧光探针，用于可视化阿尔茨海默病（AD）中脂滴的实时动态[21]。来自传统药用植物的天然产物本身具有优异的生物相容性、显著的结构多样性和独特的自组装能力[22]、[23]。这些由非共价相互作用（如氢键、π-π堆积）驱动的超分子组装可以通过动态结构重排对外部刺激（如pH值）作出反应[24]，从而实现智能的“开启”切换行为[25]。这种超分子传感策略为下一代绿色和智能荧光探针的开发提供了有希望的途径。

Xinxiu Bencao [26]是中国第一部官方药典，也是世界上最古老的国家药典，其中记载了一种使用荧光识别Cortex Fraxini的方法：“将浸泡在水中的树皮用于在纸上书写时，会变成玉绿色，这可以识别出正品。”这一描述被广泛认为是最早的荧光实际应用记录之一。从那时起，这种基于荧光的识别方法一直被用于评估Cortex Fraxini的质量。现代研究证实，这种荧光来源于树皮中的香豆素化合物，其中Fraxin（7,8-二羟基-6-甲氧基香豆素-8-β-D-葡萄糖苷）是从Cortex Fraxini中分离出的代表性香豆素苷[27]、[28]。药理学研究表明，Fraxin具有显著的抗炎、镇痛和抗菌活性[29]。鉴于香豆素衍生物的荧光依赖于pH值[30]，研究人员开发了各种探针。例如，Kossmann等人开发了一种基于半花青素染料的比率型pH荧光传感器，可以精确追踪革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌中的细胞质pH值变化，展示了荧光团核心上的取代基修饰如何精细调节传感性能以适应不同的pH环境[31]。Wang等人合成了一种香豆素衍生物XDS-H，其在pH值2–5范围内有响应；然而，其在生理条件下的荧光变化有限，限制了其更广泛的生物学应用[32]。现有研究通常将这种敏感性简单地归因于分子水平上酚羟基的质子化和去质子化[30]、[33]。然而，这种传统解释很大程度上忽略了分子聚集在调节荧光行为中的关键作用。Fraxin具有典型的两亲结构，pH值的变化可能诱导可逆的超分子自组装，从而调节荧光团周围的微环境，最终决定宏观荧光输出。迄今为止，Fraxin的pH响应荧光行为与其超分子自组装机制之间的关系尚未得到系统研究。

在这项研究中，我们报道了一种基于Fraxin可逆自组装的新型pH响应荧光机制，并探讨了其在多场景应用中的潜力。通过整合多种光谱和显微表征技术，我们系统地阐明了Fraxin在pH调节下从单体状态到有序纳米聚集体的动态转变。我们证明，7-羟基的去质子化诱导的自组装负责荧光“开启”效应。此外，Fraxin成功应用于环境水样中的快速pH检测以及硫熏药材的识别。最重要的是，与合成染料不同，Fraxin表现出优异的生物相容性，并已成功用于活细胞、斑马鱼和小鼠模型中的实时pH成像。总体而言，这项研究不仅从超分子角度揭示了Cortex Fraxini的古老荧光现象，还为开发用于生物医学和食品安全应用的生物相容性功能探针提供了新的范例。

章节片段

Fraxin的光学响应行为和pH敏感性

首先，通过¹H NMR、¹³C NMR和HRMS（图S1-S3）系统地表征和确认了Fraxin的化学结构和分子量。为了评估Fraxin作为新型pH响应光学探针的潜力，我们系统地研究了其在pH值1.0–12.0范围内的荧光和UV–Vis吸收行为。如图S4所示，Fraxin表现出典型的“开-关”荧光切换特性。在强酸性条件下（pH?1.0–4.0），溶液

结论

动态监测细胞内pH值稳态对于理解生理和病理过程以及实现疾病的早期诊断至关重要。在这项研究中，我们证明了Fraxin的荧光响应不仅仅是单体水平上的分子去质子化的结果，而是与可逆的超分子自组装过程内在相关。透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）一致显示

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号82303568、82104345和N0. 22206154）、甘肃省自然科学基金（项目编号23JRRA1211）、甘肃省大学创新基金（项目编号2023QB-085）、甘肃省中医药大学的引进人才研究启动基金（项目编号2023-YJRC-16）以及甘肃省中医药大学的科学研究与创新基金（项目编号2021-KCYB-07）的支持。