近年来，光激活荧光探针（Photoactivatable Fluorophores, PAFs）因其在活细胞成像中实现时空精确控制的优势，已成为研究细胞器动态、蛋白质运输及信号转导过程的重要工具。然而，传统PAFs多依赖紫外光激活，存在组织穿透能力弱、光毒性强、自发荧光干扰大等局限，限制了其在活体及深组织成像中的应用。双光子激发技术因其近红外激发、高空间分辨率及低光损伤等特点，为深层组织与活体成像提供了新思路，但开发具有细胞器特异性靶向能力的双光子PAFs仍具挑战。
针对上述问题，清华大学深圳国际研究生院生物医药与健康工程研究院谭春燕课题组联合深圳职业技术大学食品药品学院许乃寒副教授，设计并合成了一系列基于4-硝基联苯衍生物的细胞器靶向双光子光激活荧光探针（PhoRh-Mito, PhoRh-ER, PhoRh-Lyso）。该系列探针通过引入特定靶向基团（如三苯基膦靶向线粒体、苯磺酰胺靶向内质网、吗啉环靶向溶酶体），实现了在活细胞中对线粒体、内质网和溶酶体的高特异性标记。研究团队系统评估了探针的光物理性质、细胞相容性、光激活效率及其在多种生物样本中的成像性能。
图1. PAFs设计策略
研究显示，PhoRh系列探针在未激活状态下荧光极弱，经405 nm单光子或800 nm双光子照射后，发生光解反应，荧光显著增强（荧光量子产率从0.017提升至0.69）。在HeLa与MCF-7细胞中，探针展现出快速细胞摄取、低细胞毒性及优异的共定位性能（Pearson系数>0.94）。通过双光子激发，研究人员成功实现了单细胞级别的时空可控激活，并追踪了细胞器动态变化。
图2. PhoRh在HeLa细胞中的亚细胞定位成像
进一步地，研究团队在离体小鼠肝脏、肾脏和心脏组织中验证了PhoRh-Mito的深组织成像能力。双光子激发下，探针可实现高达100 μm的成像深度，远优于单光子成像的10 μm穿透极限。此外，在荷瘤小鼠模型中，通过瘤内注射PhoRh-Mito，成功实现了皮下肿瘤的高分辨率三维结构成像，清晰呈现了细胞边界、微血管网络等细微结构。
图3. PhoRh-Mito在体外的双光子成像
图4. PhoRh-Mito在体内的双光子成像
相关研究成果以“双光子光激活荧光探针用于活细胞和组织水平的细胞器成像”（Two-Photon Light-Activatable Fluorophores for Organelle Imaging in Living Cells and Tissue-Level Imaging）为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该论文的共同第一作者为清华大学深圳国际研究生院2021级博士马壮、2023级博士研究生傅章程和2023级硕士研究生侯博璇；通讯作者为清华大学深圳国际研究生院谭春燕教授和深圳职业技术大学食品药品学院许乃寒副教授，论文作者还包括清华大学药学院蒋宇扬教授、清华大学深圳国际研究生院谭英副教授等。本研究得到广东省基础与应用基础研究基金和省部共建肿瘤化学基因组学国家重点实验室的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c14442
文：傅章程
审核：陈超群、耿洪亚
