一种活细胞超分辨成像有机荧光探针构建新策略

摘要

由于存在光的衍射极限，光学成像一直以来被认为无法突破衍射极限而获取更高的空间分辨率。近年来出现的超分辨成像技术打破了衍射极限，将可分辨的空间尺度提高到了250纳米以下，并因此获得了2014年的诺贝尔化学奖。
　　单分子定位超分辨成像是超分辨成像的一种方式。其成像过程不需要依赖复杂昂贵的光学仪器，但需要光可调的荧光探针来实现超分辨成像。在目前的荧光探针中，有机荧光探针由于其所包含的荧光染料具有优秀的光物理性质，在活细胞超分辨成像中具有获取更高时间及空间分辨率的潜在优势。然而，目前成功用于活细胞超分辨成像的有机荧光探针种类非常有限，严重阻碍了超分辨成像的进一步发展。
　　本文提出了一种构建新型透膜有机荧光探针的通用策略，并实现了活细胞超分辨成像。该策略将细胞穿膜肽(rR)3R2引入到荧光探针构建中，利用细胞穿膜肽能够携带货物分子穿透细胞膜的作用，将光可调的荧光染料及能够特异性标记的识别基团携带进入到活细胞内，实现了特异性标记及超分辨成像。本文以丝状肌动蛋白及半胱氨酸组织蛋白酶为特异性标记目标，实现了在活细胞内对内源性丝状肌动蛋白及溶酶体细胞器的超分辨成像。具体研究内容如下：
　　（1）设计并合成了针对活细胞内源性丝状肌动蛋白的透膜有机荧光探针，包括含有普通荧光染料（RhB、FITC）的探针及光激活荧光染料（PA-RhB）的探针。
　　（2）首先用所合成的含有普通荧光染料的探针研究了此类探针的活细胞成像结果，包括：不同孵育浓度、不同孵育时间，以及荧光染料对标记特异性的影响。根据上述步骤，优化确定出了此类探针对于丝状肌动蛋白标记的最佳实验条件。
　　（3）在（2）的研究基础上进一步研究了含有不同有机荧光染料（RhB、FITC、PA-RhB）的探针在超分辨成像中的实验条件，包括：探针的光稳定及光激活性质、重建算法、曝光时间、激发光强及重建帧数。最终，本文利用所构建的含有光激活荧光染料 PA-RhB的探针国际上首次实现了活细胞内源性丝状肌动蛋白的超分辨成像，并发现此探针具有免激活、耐漂白的独特性质。在此基础上，本文国际上首次成功地记录了丝状肌动蛋白的重排动力学过程，获得了84纳米的空间分辨率及10秒的时间分辨率。
　　（4）本文利用包含光激活荧光染料Caged-Rh110并能特异性标记溶酶体的透膜有机荧光探针，实现了活细胞内溶酶体的超分辨成像，获得了64纳米的空间分辨率及1.2-2秒的时间分辨率。

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1 绪 论

1.1 单分子定位的超分辨显微成像技术

1.2 单分子定位活细胞超分辨成像中分辨率的影响因素

1.3 用于单分子定位活细胞超分辨成像的荧光探针

1.4 选题背景和研究内容

2 针对活细胞内源性丝状肌动蛋白的透膜有机荧光探针的设

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.3 针对活细胞内源性丝状肌动蛋白的透膜荧光探针的设计、合成

2.4 本章小结

3 针对活细胞内源性丝状肌动蛋白的透膜有机荧光探针的标

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 活细胞内有机荧光探针的标记结果表征

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 针对活细胞内源性丝状肌动蛋白的透膜有机荧光探针的超分

4.1 引言

4.2材料和方法

4.3 活细胞内源性丝状肌动蛋白的超分辨成像

4.4 讨论

4.5 本章小结

5 针对内源性Cathepsins酶的活细胞溶酶体标记的超分辨成像

5.1 引言

5.2 材料和方法

5.3 活细胞溶酶体标记及超分辨成像

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录I 攻读博士学位期间主要成果

附录II 探针的高效液相谱图和ESI质谱图