细胞衰老是生物体老化过程中的一个重要环节，也是多种疾病发生发展的关键因素之一。随着对细胞衰老机制理解的深入，开发出能够高效识别并定量检测衰老细胞的技术变得尤为重要。荧光探针作为一种非侵入性的检测手段，在细胞成像领域展现出了巨大的潜力。然而，传统的荧光探针在多参数检测方面存在局限性，难以同时实现对多个生物标志物的高灵敏度和高特异性检测。因此，开发一种能够在活细胞中实现多参数检测的新型荧光探针成为了一个迫切需要解决的科学问题。
如何设计并合成一种具有双光子激发特性的多功能荧光纳米探针，以实现对细胞衰老过程中pH值升高及β-半乳糖苷酶（β-gal）过表达的检测？这不仅是对荧光探针技术的一个挑战，更是对细胞衰老机制研究的突破。
为了解决上述问题，北京大学李娜教授研究团队成功设计并合成了一个称为OS纳米探针的多功能荧光纳米探针。该探针基于锆基金属有机框架（Zr-MOFs），通过引入两种混合氨基连接剂（NH2-BDC和NH2-TPDC），构建了具有双发射特性的NH2-MU框架。这种框架不仅能够用于比率型pH值检测，还能够通过共价结合荧光底物，实现对β-gal活性的检测。在OS纳米探针的设计中，pH值和β-gal信号保持独立，同时具有高度共定位的特点。此外，NH2-MU框架的双光子激发特性赋予了OS纳米探针生物成像的能力，使其能够在800 nm激光激发下区分衰老的人类前额皮肤成纤维细胞（HFF）与其他类型的细胞。
实验结果显示，OS纳米探针对β-gal的检测限低至0.006 U/L，远低于自由荧光素的检测限（0.74 U/L）。同时，OS纳米探针在pH 6.0下的荧光强度显著高于pH 4.0，表明其在pH值检测方面具有较高的灵敏度。这些结果证明了OS纳米探针在细胞水平上的应用潜力。
为了验证OS纳米探针的实际应用效果，研究团队首先通过诱导HFF细胞衰老来评估探针的细胞成像能力。实验结果表明，OS纳米探针可以在1小时内实现良好的溶酶体定位，并且不会影响细胞的存活率。进一步的荧光成像分析显示，衰老的HFF细胞在pH通道（λex/em= 800/580 nm）和β-gal通道（λex/em= 800/610 nm）的信号均明显高于正常HFF细胞和9L/LacZ细胞，这与之前的测试结果一致，证明了OS纳米探针在活细胞中同时检测pH值和β-gal过表达的能力。
该研究首次实现了利用双光子激发策略对细胞衰老进行多重正交荧光检测，为基于金属有机框架（MOFs）的荧光探针在生物成像领域的应用提供了新的思路。尽管OS纳米探针的双光子吸收性能仍有待提高，但这一创新工作无疑为未来的多光子激发荧光成像技术开辟了新的方向。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02758
