研究进展：脂滴（LDs）作为细胞内基本的脂肪储存器官，在细胞代谢调控中扮演着关键角色，并与多种疾病有关。因此，能够精确监测LDs对于揭示这些疾病的发病机制至关重要。目前，已有许多荧光探针被用于研究LDs相关的疾病模型，如糖尿病、脂肪肝、肾损伤、肿瘤等。目前报道的用于研究疾病模型的LD探针大多是pi扩展的供体-受体型偶极染料，这类荧光探针的特点是，它们在非极性、粘稠的环境中会发出更强烈的荧光，这使得它们非常适合用来检测LDs。然而，这些荧光探针也存在一些潜在的问题。它们的分子结构中至少含有一个碳-碳双键，这使得它们可能会与细胞内的一些物质发生反应。比如在炎症状态下，细胞内会有很多生物硫醇类物质，它们可能会与这些LD探针发生反应，影响探针的稳定性，进而影响成像数据的可靠性。此外，良好的双光子（TP）成像能力是成像组织抑制自身荧光的重要标准，这样可以减少自发荧光的干扰，获得更清晰的图像。因此，开发化学稳定的TP活性探针对于疾病模型中LDs的可靠成像具有重要的现实意义。糖尿病是一种与内分泌和代谢相关的疾病，其特征是血液中葡萄糖水平升高，它与许多细胞因子的过度表达有关。然而，到目前为止，糖尿病对 LDs 水平扰动的影响仍然难以捉摸。在这项研究中，作者对一种典型的偶极染料——Acedan（2-乙酰基-6-（二甲氨基）萘）进行了结构改造，开发出了一种新型荧光探针——Acd-LDTP，将其用于通过荧光成像研究糖尿病相关的 LDs。解决方案： 为了非侵入性监测LDs，需要具有精确器官选择性和生物相容性的荧光探针。本研究中，作者在Acedan分子结构上引入特定的化学修饰（图1），首先用额外的脂肪碳（洋红色）将一个供体甲基取代基连接到萘核上，来限制二甲胺供体附着在萘核上的自由旋转以增强聚合过程。其次，通过在氮原子上引入不同长度的烷基链来提高分子的疏水性。这种结构改造使得探针在水环境中能够形成纳米聚集体，并通过聚集诱导荧光猝灭（ACQ）机制在水相中表现出低荧光，这减少了非特异性的背景荧光，提高了成像的对比度和清晰度。当探针通过细胞的网格蛋白介导内吞作用进入细胞后，它会在LDs内特定的非极性环境中解聚，荧光随之恢复（图2）。这种独特的光学特性使得探针能够高特异性地标记LDs，同时将它们与细胞质区分开来，这一突破使得在细胞和组织环境中高保真成像LDs成为可能。![]()
图1：常规acedan衍生物（例如 Acd）在检测细胞内 LD 方面的优缺点以及针对特定LD成像提出的基于ACQ的Acd-LDTP探针合成策略。
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图2：Acd-LDTP探针对LDs的合理检测机制。
在这项研究中，作者利用探针的最小背景信号，成功监测了细胞内LDs的动态变化，包括LDs的形成、融合、分裂以及LDs间的短暂接触和融合。考虑到LDs在细胞代谢中的关键作用及其与多种疾病的关联，可以使用Acd-LDTP探针来区分正常细胞和癌细胞，发现癌细胞中的LDs含量更高，是正常细胞的5-10倍。基于探针提供的稳健细胞成像结果，本研究进一步探讨了糖尿病模型中LDs的变化及其与LDs的相关性，并通过双光子成像技术对器官组织进行了成像分析（图3）。研究发现心脏组织中的LDs积累显著增加，表明在糖尿病状态下，心脏可能更依赖于脂肪酸（FFAs）作为能量来源，导致LDs在心脏中的积累，这种LDs的积累可能与心脏对能量底物代谢的适应性变化有关，也可能与糖尿病相关的心脏疾病的发展有关。并且，作者还探讨了脂多糖介导的心肌病模型，发现心肌病心脏中的 LDs 水平更高。![]()
图3：（a）链脲佐菌素致糖尿病模型的建立及实验步骤；（b）两组小鼠与Acd-LDTP（5.0μM，绿色图像）和核-ID 红色（稀释1000倍，红色图像）在pH 7.4 PBS中共孵育1 h，4%甲醛固定30 min后获得器官组织的荧光图像；（c）从健康和糖尿病模型小鼠获得的不同器官之间绿色通道的相对发射强度。
结论：在本研究中，作者成功设计合成了一种基于偶极染料Acedan结构改造的新型荧光探针——Acd-LDTP。该探针通过纳米聚集诱导的荧光猝灭机制，在水相中表现出低背景荧光，通过网格蛋白介导内吞作用进入细胞膜，在LDs中因分子解聚而荧光增强，可以最大限度地减少在其他疏水细胞器和膜上的定位。这种创新的自组装/拆卸策略提供了一种独特的传感机制，以特异性区分LDs和细胞质。Acd-LDTP探针展现了卓越的LDs标记特异性，允许在细胞及组织水平上进行高对比度的双光子成像。它能够高特异性地标记和监测细胞内LDs的动态变化，在区分癌细胞和正常细胞以及研究糖尿病对LDs水平影响方面展现出巨大潜力，为相关疾病的诊断和治疗提供了新的工具。参考文献：Shil A. et al. A Nano-Aggregatable Acedan Derivative for Clathrin-Mediated
Cellular Uptake and Two-Photon Imaging of Diabetes-Associated Lipid Droplets. ACS
Nano. 2024. DOI: 10.1021/acsnano.4c04074.
