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Aggregate《聚集体》致力于发表聚集体科学领域的基础和应用研究，涵盖材料化学、物理、生物、应用工程等广泛领域的重要进展和创新性成果。
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Aggregate 鼓励打破学科藩篱，实现研究范式转移，在更高的结构层次上探索更复杂的系统和过程。
文章信息
通讯作者：陈韵聪，何卫江（南京大学），方红宝（南京师范大学）
作者：杨秀芝，方红宝*，李姝蒙，储诚燕，张云华，杨影，何卫江*，陈韵聪*，郭子建
Keywords：
mitochondria-lysosomes interactions
dual-color imaging
nano-aggregates
ratiometric HClO sensing
drug evaluation
原文链接：
https://doi.org/10.1002/agt2.641
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文章简介
每种细胞器都具有其独特的功能，并通常不会单独发挥作用。细胞器之间会相互作用，形成细胞器互作网络，通过相互协调来完成各种生命活动。线粒体-溶酶体相互作用包括线粒体-溶酶体融合 (即线粒体自噬) 和线粒体-溶酶体接触 (MLC)，广泛参与了不同条件下细胞的生命活动。因此，线粒体-溶酶体互作紊乱与多种疾病的发生和发展密切相关。活性氧 (ROS) 作为诱导线粒体自噬的信号分子，是由线粒体呼吸链中的电子泄漏以及这些电子与O2反应产生的。实时动态追踪氧化还原稳态失衡和线粒体-溶酶体相互作用不仅能增加对线粒体相关疾病发病机制的理解，而且对于监测疾病进展和优化治疗方案具有重要意义。
光学成像由于其非侵入性、高灵敏度和实时检测等优势，被广泛用于生命科学领域。光学显微镜的分辨率极限约为200 nm，无法用于清晰观察亚细胞器超微结构的变化细节。超分辨荧光显微成像突破了光学显微镜的分辨率极限，为亚细胞器结构与功能的研究提供了前所未有的工具。然而，目前利用荧光成像手段追踪线粒体自噬过程通常需要两种分别标记溶酶体和线粒体且发射光谱不重叠的染料分子。但是这些探针一般不能检测线粒体自噬过程中氧化应激水平的变化，限制了在不同生理和病理环境下对线粒体自噬作用的理解。
本文报道了一种能同时对溶酶体和线粒体进行双色成像的比率型HClO探针AHOH。由于AHOH的近平面结构和分子间相互作用，AHOH很容易自聚集成纳米颗粒，通过内吞作用进入溶酶体，发出红色荧光。另一方面，AHOH结构中含有亲脂性阳离子单元，其单体可以通过与线粒体的静电吸附作用聚集在线粒体中，并被线粒体中的基础HClO氧化，发出绿色荧光。在超分辨荧光显微镜下，AHOH能动态示踪不同刺激下线粒体和溶酶体的形态变化以及氧化应激状态的改变。AHOH可以作为评估调节线粒体功能障碍药物疗效的可靠工具。这项工作为实时监测线粒体-溶酶体相互作用及氧化还原稳态失衡提供了一种有力的双色双靶向超分辨荧光探针 (图1)。
图1. 双色双细胞器HClO探针的设计与工作机制
对AHOH的单晶结构进行分析，观察到多种分子间相互作用，如π-π堆叠和分子间氢键，这些作用促进了聚集体的形成。AHOH可以特异性被HClO氧化，随着HClO水平的增加，AHOH在637 nm处的荧光发射强度减弱，在547 nm处的荧光发射强度增加，实现了对HClO的比率型检测 (图2)。
图2. AHOH的单晶结构及其对HClO响应的光学性能
通过AHOH与商业线粒体和溶酶体探针的共定位实验验证，AHOH的绿色荧光定位在在线粒体中 (发射~547 nm)，红色荧光定位在溶酶体中 (发射~637 nm)，实现了线粒体和溶酶体的分别双色成像。另外，探针的分辨率达176 nm，表明其能够进行超分辨率成像 (图3)。
图3. AHOH双色超分辨率成像线粒体和溶酶体
进一步研究表明，AHOH能够实时监测线粒体自噬过程中线粒体和溶酶体之间的动态相互作用以及ROS水平的变化。在CCCP刺激细胞发生自噬后，使用AHOH探针可以清晰地观察到线粒体 (绿色荧光) 和溶酶体 (红色荧光) 逐渐靠近并融合，PCC值从0.221升高到0.812。同时，细胞发生氧化应激，表现为绿色荧光增强，红色荧光减弱 (图4)。
图4. 超分辨率实时可视化成像线粒体和溶酶体在CCCP刺激下的动态相互作用
基于以上实验，推测AHOH可以作为一种简单有效的线粒体功能障碍治疗药物的药效评估工具。接下来运用探针来评估两种线粒体损伤治疗药物PT-478和PT-2385在缓解过度线粒体自噬过程中的疗效。结果显示，PT-478或PT-2385单药治疗可以在一定程度上降低铁调节蛋白2 (IRP2) 敲除的MEF细胞线粒体自噬通量和减少氧化应激。此外，PT-478和PT-2385联用的效果更好，线粒体自噬通量和ROS水平降低到正常细胞水平 (图5)。
图5. AHOH用于线粒体治疗药物的药效评估
以上研究论文以“Aggregation-based dual-target probe for dual-colour super-resolution monitoring mitophagy and evaluating drugs regulating mitochondria”为题发表于 Aggregate 期刊，论文第一作者为南京大学的杨秀芝博士，通讯作者为南京大学的陈韵聪教授，何卫江教授和南京师范大学的方红宝特聘研究员。
（Aggregate 2024, e641. https://doi.org/10.1002/agt2.641）
通讯作者
陈韵聪，国家优秀青年基金获得者，南京大学化学化工学院教授，研究方向为光学分子探针和疾病诊疗。现任南京大学化学和生物医药创新研究院PI，Luminescence 期刊编辑，Frontiers in Chemistry 副主编。迄今已在 Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Mater. Horiz., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Chem. Sci., Sci. China Chem., Chem. Commun. 等杂志上发表SCI文章100余篇。文章总引用6700余次，单篇最高引用670余次，H-index 42，获授权发明专利5项。
何卫江，南京大学化学化工学院教授，研究方向为无机信号小分子和生命关键过渡金属离子的探针设计、成像及其化学生物学；金属配合物的生物学效应，分子光物理、光化学效应的生物医药应用。在包括 Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Chem. Sci., Chem. Commun. 等国际知名学术刊物上发表论文近百篇。曾受邀为 Chem. Soc. Rev. 及 Elsevier 系列丛书撰写分子影像学综述和专章。曾获江苏省第五届优秀博士论文奖，2009年中美药协 (SAPA) 优秀研究生论文导师，2015年教育部自然科学奖一等奖 (第2完成人)。
方红宝，南京师范大学特聘研究员，中国博士后创新计划入选者。2023年09月至今作为高层次青年人才引进入职南京师范大学化学与材料科学学院。2013年-2020年在南京大学化学化工学院攻读硕士和博士，师从何卫江教授和郭子建院士；2020年-2023年在南京大学生命科学学院和化学与生物医药创新研究院 (ChemBIC) 进行博士后研究，合作导师为何卫江教授、董磊教授和郭子建院士，主要从事生物物种识别和细胞器互作成像探针的开发与化学生物学应用研究工作。2019年-2020年在University of Cincinnati College of Medicine访问交流期间，利用人工智能算法辅助的超分辨荧光成像技术研究细胞器互作及其关键生物物种动态变化。目前以 (共同) 第一作者或者通讯作者在相关领域的国际主流期刊发表十余篇，包括 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res. 等。2021年，曾获南京大学优秀博士论文。申请和授权中国发明专利5项；已主持科研基金5项。目前研究方向为细胞器靶向的小分子荧光探针设计与合成；细胞器互作的超分辨示踪与化学调控。
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1. 解放军总医院付振虹教授&清华大学张洪玉副研究员团队：超分子自组装纳米颗粒通过增强心肌细胞线粒体自噬靶向治疗心肌梗死
2. 华中科大黄长征教授/李民副教授&华南理工高蒙副研究员&石河子大学曹娟梅等：安全递送型AIE纳米光敏剂靶向线粒体触发细胞焦亡抗肿瘤
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