都柏林聖三一學院的研究人員與愛爾蘭皇家外科醫學院（RCSI）合作開發出了特殊的螢光變色染料，首次實現了只用一種染料就能同時觀察到多種不同的生物環境。當這些染料被封裝在輸送容器（如COVID-19疫苗等技術中使用的容器）中時，它們會透過一種名為”聚集誘導發射”（AIE）的過程”開啟”並發出光線。在輸送到細胞後不久，它們的光就會”關閉”，然後在細胞將染料穿梭到細胞脂滴中後再次”打開”。

先進的成像技術

由於細胞內發出的光與輸送血管內相同染料發出的光顏色不同，發生在不同的時間窗口內，因此研究人員可以使用一種名為”螢光壽命成像”（FLIM）的技術來即時區分這兩種環境。

這項研究成果最近發表在國際權威期刊《化學》。第一作者亞當-亨伍德博士是化學學院的高級研究員，常駐三一生物醫學科學研究所（TBSI），他與博士生康妮-西格文森（Connie Sigurvinsson）共同完成了這項設計。

亨伍德博士解釋說：”生物成像依賴於”開/關”染料，即染料只在一組條件下發光，其他條件下則關閉。這非常有用，但也意味著在顯微鏡下一次只能觀察一個地方。這項工作令人興奮的地方在於，我們的染料找到了一個最佳點，使其具有獨特的開/關/開特性，更重要的是，我們可以觀察和區分這些不同的”開”狀態。”

“因此，我們比以前看得更多，看得更清楚。我們透過對樣本發出的光到達顯微鏡所需的時間進行計時來做到這一點：來自輸送血管的光比來自細胞內的光所需的時間稍長。收集到足夠多的光訊號後，我們就能利用這些資訊快速建立兩種不同染料環境的精確三維影像。這種時間差很小–無論哪種方式，都只有幾十億分之一秒–但我們的方法足夠靈敏，可以捕捉到這種時間差。”

這種獨特的品質意味著這種染料可以有大量的應用，例如，有可能徹底改變生物感測和成像方法。

同一染料從純有機溶劑（左）到水（右）的發光變化。資料來源：都柏林聖三一學院Adam Henwood 博士

由於這些染料能幫助科學家以如此高的對比度和特異性繪製活細胞內錯綜複雜的結構圖，它們可以幫助闡明藥物是如何被細胞吸收和代謝的，或者讓科學家能夠設計和進行一系列新的實驗，以便更好地了解細胞複雜的內部運作及其至關重要的生化機制。

在這篇發表在雜誌上的文章中，科學家們將重點放在使用這種染料對細胞脂質（脂肪）液滴進行成像，脂質液滴是構成大多數複雜生物體（如我們人類）活細胞的重要”細胞器”之一。

脂滴曾被認為是簡單的”脂肪庫”，但現在人們相信，脂滴在調節細胞代謝、協調細胞內脂質的攝取、分佈、儲存和使用方面發揮著重要作用。由於人們對它們的重要性有了越來越多的了解，而且它們活性的突然變化往往預示著細胞受到了壓力，因此它們是染料的一個有用的測試案例。進一步研究的一個潛在途徑是，研究團隊能否用他們的染料靶向其他重要的細胞器。

文章的資深作者Thorfinnur Gunnlaugsson 是三一學院化學學院的化學教授，常駐TBSI。他說：”透過觀察不同的螢光發射顏色來監測細胞功能或分子或候選藥物在細胞內的流動是非常有吸引力的。這裡的突破在於，我們可以利用螢光壽命的差異，快速準確地識別不同細胞環境中的相同探針，從而繪製出它們在細胞內的彩色”時間旅行”圖。然而，最令人興奮的是，這種現象並不適用於細胞成像。這些結果為研究化學生物學（正如我們在這裡所展示的）、許多其他醫學應用，甚至在生成生物學以外的新型功能材料方面開闢了新的可能性。任何需要控制分子運動的分子或奈米材料，原則上都可以利用我們的新方法進行映射和微調。”

潛在應用與未來方向

事實上，作者們正是打算在這裡大展身手。他們為這些染料設想了許多新的可能性，指出它們的特殊靈敏度對開發有害環境污染物感測器或利用其明亮的發光特性為化學轉化提供動力（類似於自然界自身的光合作用）具有吸引力。

這項研究既具有國際性（有八個國家的代表參與），也具有愛爾蘭特色，愛爾蘭的主要資助機構愛爾蘭研究理事會（IRC）和愛爾蘭科學基金會都發揮了重要的財政支持作用。最值得一提的是愛爾蘭科學院的藥物研究中心（SSPC），它是這項工作的主要資助機構，愛爾蘭科學院的安博中心也為這項工作提供了資助，此外，安博中心還透過基於安博的EPSRC -SFI 中心博士培訓計劃提供了資助。

利默里克大學物理學教授、SSPC主任達米安-湯普森（Damien Thompson）教授說：”作為一個中心，我們在材料與生物學的交界處不斷向前推進並創造新的知識。我們三一學院的兩位主要研究人員與RCSI 之間的這項合作展示了基礎科學推動醫學創新的力量。我們越接近分子-細胞界面，關鍵是我們越能即時看到分子如何在細胞奈米機械內部從一個地方擴散到另一個地方，我們就越接近實現理查德-費曼（Richard Feynman）的夢想，即​​從原子的擺動和抖動中了解生物所做的一切。但直到最近，研究人員才擁有足夠的實驗和計算資源來追蹤複雜生物環境中的這些運動和振動。這項令人興奮的新工作展示了亞細胞動態的更具體、高對比度成像，這反過來將使研究人員能夠開發出更有效的藥物配方，並減少副作用”。

負責監督這項研究的多納爾-奧謝（Donal O’Shea）教授是RCSI化學系和超解析度成像聯合會（由愛爾蘭科學基金會SFI資助）的細胞成像專家。他補充說：”我們使用FLIM來追蹤AIE與活細胞的動態相互作用，這種方法可以廣泛應用於其他螢光團系統，從而獲得以前不為人知的見解。”

編譯來源：ScitechDaily