近日，我校药学院、生物反应器工程国家重点实验室、光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心杨弋教授、陈显军教授、蒋丽副研究员团队，联合上海交通大学生物医学工程学院朱麟勇教授团队，在近红外荧光激活染料设计、活体高分辨生物成像与生物传感领域取得重要研究成果。研究成果以长文（Article）形式在线发表于《美国化学会志》期刊（Journal of the American Chemical Society），论文标题为“A General Strategy for Developing Si-Rhodamine-Based Fluorogenic Dyes for Advanced Bioimaging and Biosensing”。
近红外荧光探针具有组织穿透深度大、生物光损伤低、生物自发荧光背景干扰弱等核心优势，是实现深层活体组织高分辨成像的核心工具。硅罗丹明（Si-Rhodamine，SiR）及其衍生物是目前应用最广泛的近红外荧光染料之一，兼具高荧光亮度与优异光稳定性。然而，基于SiR的传统激活型染料的荧光“开启”依赖螺内酯与两性离子之间的动态化学平衡，其平衡常数需精准控制在极窄区间内；分子骨架任何修饰均易破坏平衡，造成本底荧光抬升、荧光激活倍率大幅下降，长期制约高性能近红外激活染料的分子设计与开发。
针对该领域长期存在的技术瓶颈，研究团队跳出传统螺环平衡调控思路，创新性提出扭曲分子内电荷转移（TICT）分子转子通用设计策略：在硅罗丹明母核meso位引入低空间位阻五元杂环构建分子转子。染料游离状态下，杂环转子可自由高速旋转，通过激发态分子内运动快速耗散激发能，实现近乎无本底的超低背景荧光；当染料特异性结合目标蛋白后，转子旋转运动被空间位阻限制，激发态能量以荧光形式释放，荧光信号高效 “点亮”。该策略将荧光调控核心机制从传统热力学化学平衡转变为激发态分子物理运动，从根源上解决了传统染料结构修饰敏感、性能易劣化的关键难题。
依托全新分子设计策略，团队自主研发一套命名为Shanghai Fluors（SFs） 的荧光激活染料家族。核心染料SF676与HaloTag标签蛋白结合后，荧光增强倍率超1700 倍，游离态背景荧光极低，活细胞成像无需洗涤即可实现90倍以上超高信噪比。通过母核化学骨架微调，团队进一步搭建发射波长覆盖绿光至近红外区间的完整染料阵列，包含SF518、SF575、SF640、SF676、SF720、SF760等多款探针。除染料分子创新外，团队同步开展蛋白标签定向进化改造，筛选获得优化突变体iHalo。相较于原始HaloTag，iHalo与SF676结合后活细胞荧光亮度提升3倍，同时保留优异抗光漂白能力。该结果证实，染料分子与蛋白标签协同共进化是进一步提升生物成像信噪比的全新有效路径，为荧光标记工具开发提供全新思路。
在成像应用层面，SF系列染料适配活细胞受激发射损耗（STED）超分辨显微成像，在连续采集36帧STED图像后，SF676仍保留初始 80% 荧光强度。该染料体系可直接用于活体小鼠脑组织神经元高分辨精细结构成像，清晰分辨树突棘等细微结构。面向动态生物传感需求，团队基于SF骨架开发近红外遗传编码钙离子探针 SFCa 系列（SFCa640、SFCa676、SFCa720），具备钙离子响应灵敏、动态检测范围大的特点，同时兼容荧光强度、荧光寿命双模态定量成像，成功实现活体斑马鱼大脑神经元自发钙振荡实时动态监测。
综上，该研究突破传统螺内酯荧光开关体系的结构限制，建立一套普适、可拓展的近红外荧光激活染料理性分子设计新策略。研究发展的 SF 系列超低背景、高亮度、高光稳定、波长可调的近红外荧光染料，以及配套 SFCa 钙传感探针，为活体神经环路精细成像、生物发育动态追踪、多色并行标记、荧光寿命定量传感等前沿生命科学研究提供高性能新型工具。
论文第一作者为上海交通大学陈政达博士、华东理工大学石雅杰博士，通讯作者为上海交通大学生物医学工程学院朱麟勇教授、我校药学院杨弋教授、陈显军教授、蒋丽副研究员。该项研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部基础学科与交叉学科突破计划等经费资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c06089
