化学调控氟硼二吡咯类染料的荧光寿命并应用于多重荧光寿命成像

荧光寿命成像（FLIM）技术目前已经成为了化学生物学研究的重要工具。与传统的基于荧光强度的成像方式相比，荧光寿命在荧光强度基础上增加了额外的成像通道，通过应用具有不同荧光寿命以及相似的光谱性质（激发以及发射波长）的荧光探针，可以实现在同一光谱通道内同时对多个靶标进行多重荧光寿命成像及拆分。近日，西湖大学理学院张鑫团队通过化学调控光致电子转移（PET）以及分子内电荷转移（ICT）过程，在绿色和红色光谱通道内成功实现了氟硼二吡咯类染料荧光寿命的系统性调控。

现有的多重荧光寿命成像主要通过选择已有的不同种类的探针分子实现，成像通道数受限于同光谱通道内这些分子的种类以及较小的荧光寿命变化范围。调控同种类分子的荧光寿命并得到一系列具有不同荧光寿命的分子库可以极大地拓展多重荧光寿命成像的通道数，但是到目前为止，调控荧光小分子的荧光寿命仍然缺乏系统性研究。

图1. 取代基电性和位阻对绿色BODIPY荧光寿命的影响

张鑫团队选择氟硼二吡咯（BODIPY）这类被广泛应用于化学、生物以及材料领域的荧光团作为模板进行研究。在其8位引入强吸电子/供电子芳基取代基后，激发态分子会发生光致电子转移（PET）过程淬灭荧光。作者推测该过程同样会改变分子的荧光寿命，因此在BODIPY分子8位引入了不同电性和位阻的取代基，并研究了它们的光物理性质。作者发现随着取代基吸电子效应和供电子效应的增强，其荧光寿命呈现下降趋势。同时作者发现邻位取代基可以显著增加荧光寿命。

接着作者在BODIPY分子5位引入芳基取代基拓展了π共轭体系，使其发射光谱红移至红色光通道。改变5位接入的取代基的电性可以调控激发态分子的分子内电荷转移（ICT）过程，作者猜测该过程同样会影响荧光寿命。作者合成了一系列不同电性效应的5位取代基的分子，研究了其光物理性质。作者发现随着取代基吸电子效应的增强，荧光寿命也逐渐增加，同时发射光谱发生蓝移，这支持了取代基电性变化导致激发态ICT过程的变化。作者随后考察了两个分子库中的分子的荧光寿命在不同的粘度以及极性环境种变化，发现它们受环境影响很小，适合用于多重寿命成像。

图2. 靶向不同蛋白的多重荧光寿命成像

作者随后在体外和体内验证了其在多通道荧光寿命成像中的应用。作者将具有不同荧光寿命的分子与可以发生液液相分离弹性蛋白样多肽（ELP）连接，在形成液滴后，通过FLIM可以清晰的拆分显示出不同荧光寿命的液滴。利用同样的策略，连接自标记蛋白标签的探针分子在分别标记核磷蛋白NPM1以及组蛋白H2B后，可以通过FLIM对二者进行精确拆分。体内实验中，利用连接有靶向内质网和溶酶体基团的不同荧光寿命的探针，作者应用FLIM实现了在红色和绿色通道内对U-2 OS细胞内的内质网和溶酶体的同时成像。

本研究为系统性调控BODIPY染料的荧光寿命提供了有效的方法，在两个光谱通道内建立了可以应用于体外和体内多重荧光寿命成像的分子库，并且类似的策略可能适用于其他种类荧光团的荧光寿命调控。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者是西湖大学博士后马俊宝和博士生罗峰。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Chemical Control of Fluorescence Lifetime towards Multiplexing Imaging

Junbao Ma, Feng Luo, Chia-Heng Hsiung, Jianan Dai, Zizhu Tan, Songtao Ye, Lina Ding, Baoxing Shen, Xin Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202403029

张鑫博士简介

张鑫，2021年10月加入西湖大学，受聘化学教授与细胞生物学教授。自2022年1月起，任工学院生物医学工程领域兼聘教授。

研究领域聚焦于生物有机化学和蛋白质生物化学的交叉领域，以“生物聚集体化学”为研究方向，从分子层面揭示生物聚集体的行程、性质、功能，长期开展合成化学、细胞生物学、生物化学、化学生物学等交叉学科的基础与应用研究。

https://xinzhang.lab.westlake.edu.cn/index.htm