细胞内游离铜的多通道成像：基于活性传感的受激拉曼显微术

基于分析物响应探针的染料成像 (Activity-Based Sensing, ABS) 为研究生物过程提供了一种强大的化学方法。现有的响应探针染料大多采用荧光作为光学信号，但是荧光信号的峰宽较大且通常需要对染料的化学结构进行较大调整以改换颜色，因而多通道的荧光生物成像一直受到较大的限制。另一方面，受激拉曼散射 (Stimulated Raman Scattering, SRS) 则采用拉曼作为光学信号。拉曼信号峰宽很窄，对生物样品穿透性强，且极易通过同位素替换以改换颜色，所以近年来多通道的拉曼生物成像取得长足进步。多个课题组采用多通道受激拉曼显微术实现了对细胞内包括DNA、RNA、蛋白质和磷脂等多种生物分子的活性成像。然而这些成像结果仍局限于对细胞内部结构的静态表征，缺乏对于有关细胞内动态生物过程的有效检测。近期，美国普林斯顿大学Chris Chang教授课题组和哥伦比亚大学闵玮教授课题组合作发表在JACS 上的研究成果通过将活性传感技术和受激拉曼技术结合填补了这项空白，提出的活性拉曼成像技术实现了对细胞内游离态铜的双重标记和成像。

图1. 结构性拉曼成像技术和活性拉曼成像技术的对比。此前的结构性拉曼成像技术实现了对于细胞内结构分子，如上图内磷脂及DNA分子的成像。由Chris Chang教授课题组和闵玮教授课题组实现的活性拉曼成像技术对细胞内游离态铜的双重标记和成像。

研究人员利用酰基咪唑定向（CDAI）化学，设计了CRP2181 和 CRP2153.2 两个活性拉曼铜探针，使之可选择性地和游离态一/二价铜Cu(I/II) 和 二价铜Cu(II) 离子反应并特异性标记铜离子附近蛋白质以固定位置信息。这两个拉曼铜探针还带有 ¹³C=N 或 ¹³C=¹⁵N 同位素拉曼颜色标记以提供两个分立的拉曼成像通道，但是同时却在形状和大小方面具有几乎相同的理化特性，以减少因染料自身性质差异带来的分布干扰。通过使用 CRP 试剂对肺癌模式细胞进行 SRS 活性拉曼成像，研究人员可以同时监测细胞内游离态 Cu(I) 和 Cu(II) 的数量及分布随外源铜的补充或消耗的动态变化。研究人员还对铜转运蛋白进行了干扰和敲除，并通过CRP-SRS活性拉曼成像观测到了细胞内游离态铜浓度的相应变化。此外，CRP-SRS活性拉曼成还显示，在肺腺癌细胞模型中，当抗氧化反应相关因子 (Nuclear Factor-Erythroid 2-Related Factor 2，NRF2) 活性降低时，游离态 Cu(II) 浓度会因氧化而相应增加。这一结果为进一步了解和识别癌症中游离态铜离子价态和浓度的动态变化提供了技术支持，并展示了活性拉曼成像技术在生物和医药领域广阔的应用前景。

图2. 对于CRP2181 和 CRP2153.2 两个活性拉曼铜探针的光学表征（a, 探针的吸收峰和受激拉曼的激发位置；b, 探针的双重拉曼信号通道）和对肺癌模式细胞内游离态铜浓度随外源铜的补充或消耗的动态表征。

Chris Chang教授课题组的博士后姜艺舒为该工作的第一作者。姜艺舒博士先后于复旦大学和美国西北大学获得学士和博士学位，并于2022年加入Chris Chang课题组，现在美国罗切斯特大学为助理教授开展独立工作。

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）：

An Activity-Based Sensing Approach to Multiplex Mapping of Labile Copper Pools by Stimulated Raman Scattering

Yishu Jiang, Elsy El Khoury, Aidan T. Pezacki, Naixin Qian, Miku Oi, Laura Torrente, Sophia G. Miller, Martina Ralle, Gina M. DeNicola, Wei Min*, Christopher J. Chang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c06296

导师介绍

Christopher J. Chang教授

https://chrischang.chemistry.princeton.edu/ 

闵玮教授

https://www.columbia.edu/cu/chemistry/groups/min/ 

https://www.x-mol.com/university/faculty/1407    

姜艺舒博士

https://sas.rochester.edu/chm/groups/jiang/