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热点应用丨2X-罗丹明：用于开发近红外化学遗传学指示剂的明亮荧光支架

发布：天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

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合成染料与基因编码的蛋白质标签相融合的化学遗传学方法为荧光生物成像提供一条充满前景的途径。然而，由于缺乏在“组织透明”的近红外窗口（NIR，700-1700 nm）中工作的性能优异的荧光染料，化学遗传学策略在活体深层组织事件的可视化应用中受到严重限制。

针对上述问题，复旦大学张凡教授团队提出了一种双桥策略，构建了一种新的罗丹明染料骨架，称为2X-罗丹明，并将其成功应用于近红外的化学遗传学活体成像。该策略通过添加乙烯基基团来扩展传统1X-罗丹明骨架的共轭体系以红移波长，并设计引入双原子桥X₁和X₂，分别形成五元环和六元环，以增强结构刚性和广泛的光谱覆盖。

在这项工作中，该团队展示了2X-罗丹明的概念验证成果，其中X₁为硫（S），X₂为C(CH₃)₂，在715/765 nm展现出强烈的近红外吸收和发射峰，同时具有超过1000 nm的明亮发光拖尾，高荧光量子产率（ΦF = 0.11），长荧光寿命（τ = 1.1纳秒）以及优越的K_L-Z常数（-1.8）。进一步地，研究团队展示了2X-罗丹明染料在活体动态成像和活体内靶向深层组织分子成像中的优越表现。此外，研究团队还开发了针对HaloTag标签蛋白的近红外荧光配体，即2XR₇₁₅-HTL，它不仅可用于近红外基因编码的活细胞钙离子传感，还实现了活体脑神经元、肝细胞核的化学遗传学标记。2X-罗丹明染料显著扩展了近红外荧光染料工具库，为化学遗传学方法在活体成像和传感的深入应用奠定了基础。

图1. (a) 传统1X-罗丹明的发射波长、KL?Z与桥接基团（标记为X）之间的关系。(b) 2X-罗丹明骨架的设计概念。

图 2. (a) 2X-罗丹明在二氧六环-水溶液中的内酯-两性离子平衡转换（K_L–Z）。(b，c) 2XR₇₁₅-HTL的结构以及在有无HaloTag蛋白时的吸收光谱和发射光谱。(d) 2XR₇₁₅-HTL用于免洗活细胞成像结果。(e-h) 2XR715-HTL结合HaloCaMP1a 用于体外和293T细胞内的钙离子传感。

图 3. (a-c) 2XR₇₁₅-HTL用于标记表达HaloTag的BL21大肠杆菌的共聚焦成像及小鼠灌胃后的近红外二区活体成像结果。(d) 2XR₇₁₅-HTL用于小鼠表达HaloTag-mCherry融合蛋白的皮层神经元成像。(e-h) 2XR₇₁₅-HTL 用于小鼠肝脏细胞核表达H2B-HaloTag的近红外二区活体成像。

参考文献

Wenxiao Wu, Kui Yan, Zuyang He, Lu Zhang, Yuyao Dong, Bin Wu, Hongyue Liu, Shangfeng Wang,* and Fan Zhang* 2X-Rhodamine: A Bright and Fluorogenic Scaffold for Developing Near-Infrared Chemigenetic Indicators. https://doi.org/10.1021/jacs.4c03485.

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