复旦大学张凡、王尚风团队JACS：2X-罗丹明——用于构建近红外化学遗传学指示剂的新型荧光染料骨架

我们对事物的认知往往遵循“眼见为实”的原则。因此，如果能通过活体成像直观的看到动物体内的细胞活动，将极大地加深我们对生命过程的理解，并推动创新疗法的研发。虽然荧光蛋白的问世为细胞生物学研究带来了革命性的变化，但其在亮度、光稳定性和光谱调节能力上的局限，使得它们作为活体成像工具仍有不足。幸运的是，化学遗传学方法通过将合成荧光染料与基因编码的蛋白标签结合，为荧光生物成像开辟了新的可能性。这种方法简化了色彩多样性和传感功能的整合，使得对体内细胞的结构与功能成像分析成为可能。然而，由于缺乏能在“组织透明”的近红外窗口（NIR，700-1700 nm）中高效工作的明亮荧光染料，化学遗传学策略在活体深层组织成像方面的应用受到了严重阻碍。

针对上述问题，复旦大学张凡（点击查看介绍）、王尚风（点击查看介绍）研究团队通过创新的双桥策略成功构建了一种新型近红外罗丹明染料骨架——2X-罗丹明。在这项研究中，该团队展示了该骨架的概念验证成果，开发了一款基于硫和碳为桥接原子的2X-罗丹明染料。该染料在715/765 nm展现出强烈的近红外吸收和发射峰，并在1000 nm以上呈现出明亮的荧光亮度。文中展示了2X-罗丹明染料在高速动态成像和活体内深层组织的分子影像方面的优越表现。此外，团队还开发了一种针对HaloTag蛋白标签的近红外荧光配体2XR₇₁₅-HTL，它不仅可用于近红外基因编码的活细胞钙离子传感，还成功实现了活体脑神经元和肝细胞核的化学遗传学标记。2X-罗丹明染料的问世将显著扩展近红外荧光染料的工具库，为化学遗传学方法在活体成像和传感领域的深入应用奠定了坚实的基础。

图1. 2X-罗丹明染料的设计概念

图2. 2X-罗丹明染料衍生的近红外荧光配体2XR₇₁₅-HTL及其在活细胞成像与钙离子传感中的应用

图3. 近红外荧光配体2XR₇₁₅-HTL在活体细胞成像中的应用

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，复旦大学博士研究生吴文晓为该论文第一作者，张凡教授、王尚风青年研究员为该论文共同通讯作者。该工作得到了复旦大学化学系、复旦大学先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室、上海市分子催化与功能材料重点实验室、国家重点研发项目、上海市科学技术委员会、科学探索奖等机构与项目的大力支持。

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2X-Rhodamine: A Bright and Fluorogenic Scaffold for Developing Near-Infrared Chemigenetic Indicators

Wenxiao Wu, Kui Yan, Zuyang He, Lu Zhang, Yuyao Dong, Bin Wu, Hongyue Liu, Shangfeng Wang*, and Fan Zhang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c03485

研究团队简介

张凡，复旦大学化学系教授、博导。国家杰出青年基金获得者，英国皇家化学会会士，美国生物医学工程学会会士。主要研究领域包括生物纳米技术及生物分析，如早期癌症诊断与治疗，药物储存与释放，体内与体外生物医学成像分析等。发表SCI论文100余篇，其中包括Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Rev. Eng., Nanotechnol., Nat. Commun.等Nature 系列论文10余篇，他引30000余次，H index 95，累计超过40篇论文入选ESI高被引论文，2018-2022入选全球高被引学者。撰写出版英文专著2部。获得2022年度上海市自然科学一等奖（第一完成人），2022年科学探索奖，2020年度国家自然科学一等奖（第四完成人）、2019年度教育部自然科学一等奖、侯德榜化工科技奖、上海市科技进步奖等奖、上海市青年英才科技奖等荣誉。

https://www.x-mol.com/university/faculty/9670 

王尚风，复旦大学化学系青年研究员、博士生导师。2012年和2015年在华东理工大学获得学士和硕士学位，2019年在复旦大学获博士学位，2019-2022年在复旦大学开展博士后研究（导师：张凡教授），2022年加入复旦大学化学系。迄今已发表SCI论文33篇，多篇以第一或共同通讯作者发表在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Cent. Sci.等国际一流学术期刊，3篇入选ESI高被引论文，拥有3项中国发明专利。主持并参与多项国自然和科技部项目，获得上海市青年科技启明星和复旦大学卓学计划等项目资助。

现阶段我们的研究聚焦于探索近红外第二窗口（波长范围在1000-2000 nm）的分子探针和光学成像技术，以应对生物医学研究和临床应用中的挑战。我们的目标是结合化学、光学和生物学的新兴技术手段，开发出能在活体内精准定位、识别和测量特定生物分子或细胞的工具与方法，推动生命科学基础研究和临床诊断，并最终为促进人类健康做出贡献。

团队招收博士后，主要研究方向包括但不限于化学生物学、药物化学、生物医学工程等领域，特别欢迎具有抗体筛选、蛋白质工程、基因编辑、生物传感器等前沿生物技术背景的研究者与我们共同推进这一目标，有意者可发送简历至sfwang@fudan.edu.cn

https://www.x-mol.com/university/faculty/382443 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们始终致力于开发简便、广泛适用的分子工具和方法，以推动生命科学研究和临床诊断的发展。本文的构想源于我们团队在近红外染料探针领域的深入研究和丰富经验。我们从荧光蛋白的发展历史中获得了启发，意识到最理想的工具往往是自然界已经创造的发色团与生物大分子相结合的方式。基于这一理念，我们提出了2X-罗丹明的设计概念，2X-罗丹明可与遗传学技术结合为生命科学研究提供一种创新的解决方案。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这项研究的想法始于2019年，但直到今天才得以实现，因而我始终认为开发近红外长波长荧光染料并将其应用于活体生物成像是一项艰巨的任务。首先，我们面临合成方面的挑战。尽管结构设计可以有很多创意，但找到一条简洁高效的合成路线并不容易，这需要付出大量的努力。其次，即使成功获得染料，我们还需要确保它具备理想的性能，并通过多种生物应用来展现其真正的价值，这于我们而言意味着要付出巨大的学习成本，面临很多未知因素的挑战。虽然挑战很多，但做的过程中我们的收获也很大。在此，我必须为本文的第一作者吴文晓同学献上最高的赞誉。

此外，这项研究目前仍处于初步阶段，2X-罗丹明染料骨架的成功验证为近红外活体成像开辟了新的可能性。未来，我们希望能够与化学生物学、细胞生物学、免疫学、神经科学、生物医学等领域的研究者合作，将这项研究推动到更高的水平。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：在生物医学研究中，2X-罗丹明可以用于活体成像，帮助研究者更清晰地观察和理解细胞和生物分子在活体中的动态行为，在药物开发过程中也有助于评估药物在生物体内的分布和作用效果，从而推动疾病机理的研究和新疗法的开发。在临床诊断领域，2X-罗丹明有望用于开发新型成像造影剂，用于荧光引导手术，辅助外科医生提升手术效率和疗效。大学和研究机构的科学家，特别是在细胞生物学、分子生物学和神经科学等领域，将首先从2X-罗丹明工具的开发应用中获益，因为它可以提供更加精确的活体成像工具，帮助探索生命科学的未知领域。