《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A series of polarity- and viscosity-sensitive AIE fluorescent sprobes with large stokes shifts for cell and zebrafish imaging
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摘要脂滴（LDs）是动态细胞器，其微环境的极性和粘度与代谢性疾病密切相关。本研究开发了三种D-π-A结构的AIE荧光探针——T-EDOT-C、T-EDOT-D和T-EDOT-N——用于脂滴的动态成像。以三苯胺（TPA）为电子供体，EDOT为π桥，通过调节电子受体实现了高效的分
摘要
脂滴（LDs）是动态细胞器，其微环境的极性和粘度与代谢性疾病密切相关。本研究开发了三种D-π-A结构的AIE荧光探针——T-EDOT-C、T-EDOT-D和T-EDOT-N——用于脂滴的动态成像。以三苯胺（TPA）为电子供体，EDOT为π桥，通过调节电子受体实现了高效的分子内电荷转移（ICT）。T-EDOT-C在DMSO中表现出184 nm的Stokes位移，并显示出从566 nm到646 nm的极性依赖红移。粘度测试表明，荧光强度随粘度升高而增加，表现出优异的粘度敏感性。使用商业探针进行共定位实验得到Pearson相关系数为0.96，表明其具有出色的靶向能力。T-EDOT-D也表现良好，Stokes位移为159 nm，红移70 nm，并表现出粘度增强的荧光。相比之下，T-EDOT-N尽管Stokes位移为165 nm，但对极性和粘度的响应较差。T-EDOT-C和T-EDOT-D均能实时监测HepG2细胞和斑马鱼在饥饿或油酸刺激下的粘度变化。总之，由于其出色的光稳定性、对粘度和极性的高敏感性以及良好的生物相容性，T-EDOT-C成为研究脂滴微环境及相关疾病最有前途的探针。
引言
微环境在调控正常细胞生理活动方面起着关键作用，包括增殖、分化、代谢和功能表达。重要的是，极性和粘度是微生物微环境的关键指标，与分子的运输和蛋白质等生理过程密切相关[1]，[2]，[3]，[4]。然而，微环境极性和粘度的改变可能促进各种疾病的发病机制，包括动脉粥样硬化和阿尔茨海默病[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。脂滴（LDs）是普遍分布的细胞器，作为脂质储存区室发挥作用。其特征是低极性、高粘度的微环境，主要由甘油三酯或胆固醇酯组成[11]，[12]，[13]。此外，脂滴在各种细胞过程中发挥关键作用，包括转录因子的隔离、蛋白质降解和脂质配体合成[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。为了在细胞内可视化脂滴，研究人员开发了各种分析方法，包括透射电子显微镜、拉曼显微镜等。然而，这些方法实施相对复杂，会造成严重的细胞损伤，且缺乏特异性[19]，[20]。因此，它们无法满足对脂滴可视化日益增长的需求。为了可视化和研究细胞内脂滴的复杂生理活动，荧光成像提供了一种强有力的工具。其优点包括高时空分辨率、实时成像能力、低毒性、非侵入性和高灵敏度[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。这些特性使得能够监测生物系统中成分和微环境的实时变化。
聚集致猝灭（ACQ）是大多数传统荧光染料的一个常见局限性。大多数传统有机荧光团是具有大π共轭体系的刚性平面分子。虽然它们在稀溶液中表现出高荧光量子产率，但在聚集时荧光效率显著降低[26]，[27]。聚集诱导发光（AIE）现象最早由Tang团队于2001年报道[28]。AIE从根本上不同于ACQ。AIE是指某些有机荧光团在溶液状态下几乎不发光，但在聚集时荧光效率显著增加的现象[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。因此，这些荧光团表现出增强的荧光强度和改善的光稳定性，使其适用于更广泛的应用[34]，[35]。具有AIE特性的荧光探针提供了几个关键优势，包括低背景信号、低细胞毒性、大Stokes位移、高光稳定性和优异的生物相容性[36]，[37]，[38]，[39]，[40]。
TPA基团是一种具有代表性的AIE活性基团。TPA由三个苯环通过中心氮原子连接而成。氮原子具有孤对电子，使TPA能够在分子探针结构中充当电子供体。此外，TPA与其他分子结合时表现出低极性和强疏水性。这些特性促进了其穿透脂滴[41]，[42]，[43]。TPA基团已被成功引入传统荧光骨架中，产生了一系列AIE活性荧光探针。2021年，Qu等人报道了一种具有AIE特性的新型萘酰亚胺衍生物荧光探针，用于H?S的"开关式"检测[44]。该探针采用具有AIE特性的TPA作为电子供体，萘酰亚胺作为荧光团，DNBS作为识别位点，表现出对H?S的优异响应。此外，在DMSO/PBS混合物中，探针的荧光强度随PBS含量的增加而显著增加，表现出约88倍的增强。2024年，Hou等人报道将三苯胺AIE基团引入香豆素骨架，成功将传统ACQ荧光团转化为AIE光敏剂[45]。他们进一步利用三苯膦阳离子实现了线粒体靶向成像，并结合化疗和光动力治疗（PDT）实现协同癌症治疗。在DMSO/甲苯溶液中，随着甲苯比例的增加——诱导分子聚集——溶液从几乎不发光逐渐转变为发出明亮的橙黄色荧光。2024年，Tang等人报道了一种荧光探针TPA-Y，采用具有AIE特性的三苯胺（TPA）作为AIE发色团[46]。通过引入乙基噻吩-氰基醋酸酯来延长共轭体系，该团队构建了提供HSO??识别位点的D-π-A结构。此外，它可以被H?O?氧化以恢复其原始结构，实现可逆循环。在DMF/HEPES缓冲液中，当水含量从0%增加到50%时，TPA-Y几乎不发光。然而，当水含量超过60%时，分子开始聚集，629 nm处的红色荧光急剧增加。在70%水含量时达到最大荧光强度。尽管上述基于传统荧光团的探针表现出良好的AIE特性，但它们存在Stokes位移小和荧光量子产率低的问题。因此，需要一种新型染料来克服这些局限性并提高探针性能。
3,4-亚乙基二氧噻吩（EDOT）是一种具有良好电导率和稳定性的噻吩衍生物。它可以作为分子探针结构中的π桥，比噻吩实现更高效的电荷转移。这使得其表现出更强的荧光发射、更高的量子产率和红移的发射波长[47]，[48]，[49]，[50]。基于上述原理，我们设计了一种推拉电子（D-π-A）结构的荧光探针。该探针采用具有AIE特性的TPA基团作为电子供体（D），EDOT作为π桥。通过调节电子受体（A），探针表现出典型的分子内电荷转移（ICT）特性。此外，探针显示出对极性和粘度的高敏感性，以及良好的光稳定性。这些特性使其能够有效穿透细胞，靶向脂滴，并检测斑马鱼中的粘度变化。该探针因此可以监测细胞内脂滴及其粘度的变化，为研究脂滴生物学及相关疾病提供了一种新方法。
章节片段
T-EDOT-C、T-EDOT-D和T-EDOT-N的合成
基于我们课题组之前的工作，我们成功合成了5-溴-2-(3,4-乙烯二氧噻吩)甲醛[50]，[51]。具体合成路线如图1所示。探针的详细合成方法和结构表征见补充信息（图S1-S12）。通过HPLC进一步分析了合成探针的纯度，结果表明所有探针纯度均高于90%。详细的色谱数据见下文。
T-EDOT-C、T-EDOT-D、T-EDOT-N探针的光谱特性
首先，我们研究了三种合成染料在各种有机溶剂中的光谱特性。如图1a-c所示，T-EDOT-C和T-EDOT-D的紫外吸收波长在各种有机溶剂中保持稳定，最大吸收波长为465 nm。相比之下，T-EDOT-N的紫外吸收表现出显著红移，最大吸收波长为510 nm。利用测得的紫外吸收光谱，我们随后考察了三种染料在各种有机溶剂中的荧光光谱。
探针的生物成像应用
基于上述结果，T-EDOT-C的光学性能令人满意。因此，我们使用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）评估了其细胞内成像能力。首先，我们通过在同一HepG2细胞培养皿中用商业染料BODIPY 493/503（一种成熟的脂滴标记物）进行共定位实验来评估探针靶向脂滴的能力。探针的荧光信号在红色通道检测，而BODIPY 493/503的信号在……
结论
在本研究中，受脂滴微环境中极性和粘度异常在代谢性疾病中起关键作用的启发，我们设计了一系列以EDOT为π桥、TPA为电子供体的D-π-A结构AIE荧光探针。与传统噻吩相比，EDOT表现出更优越的分子内电荷转移效率，赋予探针大的Stokes位移和较长的发射波长。在各种D-π-A结构中，并非所有……
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本研究中报告的工作。
致谢
本研究得到齐鲁天工卓越人才计划（编号：2025ZDZX17）、国家自然科学基金（21704047）、山东省科技中小企业创新能力提升计划项目（2025TSGCCZZB0643）和临沂市重点研发计划项目（2025015）的支持。
陈晓华 | 于鑫 | 苏金龙 | 何彩旭 | 张海涛
山东省科学院 齐鲁工业大学 生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东济南 250353，中国
