荧光成像研究超氧阴离子和pH对线粒体形态的调控作用

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

线粒体形态异常与超氧阴离子（O₂^-）及pH的关系一直是未解之谜，由此带来相关疾病的机制问题也是未知的。近日，山东师范大学唐波（点击查看介绍）和李平（点击查看介绍）课题组通过一种同时检测线粒体内O₂^-和pH双光子荧光成像分析的方法回答了这一问题。

线粒体是细胞的能量工厂，其形态在不断的分裂与融合中进行有序的动态变化。但线粒体形态变化失控会导致肿瘤等很多疾病。因此，对线粒体形态调控因素的研究成为热点问题。根据现有的研究，作者推测线粒体内的O₂^-和pH可能共同调控线粒体形态的动态变化，介导肿瘤的发生、发展，但由于目前缺少同时检测线粒体内O₂^-和pH的理想工具，阻碍了这一解开谜题的进程。

作者设计并合成了一种靶向线粒体检测O₂^-和pH动态变化的双光子荧光探针。该探针结构分为以下三部分：（1）线粒体靶向基团——三苯基鏻阳离子；（2）O₂^-的动态荧光响应基团——咖啡酸酯；（3）pH的动态荧光响应基团——荧光素。结合双光子荧光成像的优势，作者揭示了乳腺癌细胞及乳腺肿瘤小鼠体内O₂^-浓度升高和pH增大共同介导线粒体形态过度融合的信号通路。该分析方法具有动态可逆同时监测O₂^-和pH瞬变的优势，而使用一种探针可以使定位更加精准。该方法还具有广泛的应用性，为今后研究O₂^-和pH介导的细胞信号通路及其复杂的细胞生化过程提供了新的手段。相关工作近期发在Analytical Chemistry 上，文章的共同通讯作者是山东师范大学的教师唐波、李平，第一作者是山东师范大学的教师张雯。

该论文作者为：Wen Zhang, Xin Wang, Ping Li, Haibin Xiao, Wei Zhang, Hui Wang and Bo Tang

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Illuminating Superoxide Anion and pH Enhancements in Apoptosis of Breast Cancer Cells Induced by Mitochondrial Hyperfusion Using a New Two-Photon Fluorescence Probe

Anal. Chem., 2017, 89, 6840, DOI: 10.1021/acs.analchem.7b01290

唐波教授简介

唐波，1994年于南开大学化学系取得博士学位，山东师范大学校长、党委副书记，化学化工与材料科学学院教授、博士生导师。

唐波现主要从事分子及纳米荧光探针的合成及其在生物成像中的应用，绿色化工、荧光材料的合成及太阳能化学转化与储存等方面的研究工作；理论研究领域，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal.Chem.、Biomaterials、Lab Chip.、Chem.Commun.、Chem. Eur. J.等杂志发表SCI论文240余篇，影响因子大于5.0的90余篇，引用达5000余次，荣获山东省自然科学奖一等奖1项；在应用研究中取得科技成果16项，其中达到国际领先水平的6项、先进的9项，国内领先水平的1项；申请国家发明专利44项，已授权26项；荣获国家科技进步奖二等奖2项，山东省科技进步奖一等奖2项、技术发明奖一等奖1项；在国内建立高新技术产业化基地与合作基地6个，研制与开发产品40余种，取得了显著的经济效益与社会效益；主持并参与国家973计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金重大研究计划面上项目、国家杰出青年科学基金等多项省部级项目。

http://www.x-mol.com/university/faculty/12175

李平教授简介

李平，2008年于山东师范大学取得博士学位，山东师范大学化学化工与材料科学学院教授、博士生导师。

李平的研究方向是新型分子与纳米荧光探针的构建以及细胞与活体内生物活性分子成像检测的研究工作；相关研究成果已在J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.、Chem. Commun.等国际重要的学术刊物上发表论文40余篇，其中影响因子5.0以上25篇；作为主要参与者完成的项目先后荣获国家科技进步二等奖、山东省自然科学一等奖以及山东省科技进步一等奖，2015年被授予山东省青年科技奖；已主持完成国家自然科学基金面上项目1项、青年基金1项，山东省科技攻关项目1项及山东省教育厅项目1项；目前主持国家重点基础研究发展计划（“973计划”）课题1项、国家自然科学基金面上项目2项。

http://www.x-mol.com/university/faculty/12168

科研思路分析

Q：该研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：最初的目的是探究肿瘤发生、发展的机制问题。随着研究工作的深入，我们通过成像发现超氧阴离子和pH调控线粒体发生形态异变导致肿瘤的发展。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：小分子探针合成步骤较为繁琐，每一步的分离提纯都需要较多的时间。此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要积累较多生命科学方面的背景知识，而我们团队主要由分析化学专业的老师和学生组成，因此在研究线粒体形态变化和信号通路方面具有挑战性。

Q：该研究成果可能有哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们设计合成的探针能够高灵敏度、高选择性地的响应线粒体内超氧阴离子和pH的动态变化，可以应用于线粒体内超氧阴离子和pH变化的生命过程的研究，为揭示相关分子机理提供新的方法。此外，该探针在相关疾病靶点的确定、新药研制等方面具有很好的应用前景。