细胞膜作为细胞的边界，不仅在结构上为细胞提供了一个相对稳定的内环境，并且参与了包括物质运输、信号传导、细胞凋亡和细胞自噬在内的许多重要生理活动。利用荧光探针对细胞膜进行标记和示踪的成像技术是研究细胞膜结构和功能的一项重要手段。目前市售的细胞膜染料及大多数文献报道的细胞膜荧光探针都仅适用于体外层面的研究，而如何在活体动物内实现对细胞膜的原位荧光标记仍是一项亟待解决的技术难题。这不仅要求荧光探针能够穿过复杂的细胞外基质与细胞膜结合，而且还要具有信噪比高和“免清洗”成像等特点。

  日前，东南大学生物科学与医学工程学院、生物电子学国家重点实验室的吴富根教授课题组在之前报道的一系列基于疏水锚定的细胞膜修饰策略的基础上（J. Mater. Chem. B, 2015, 3, 6165；J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 834；Bioconjugate Chem. 2016, 27, 782；ACS Biomater. Sci. Eng. 2016, 2, 987；Langmuir 2016, 32, 10126；ACS Biomater. Sci. Eng. 2017, 3, 2570；ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 15943；J. Control. Release 2017, 255, 231；J. Control. Release 2018, 286, 103.），开发了一种免清洗的细胞膜红色荧光探针。该荧光探针（命名为Chol-PEG-Cy5）包含一个由胆固醇（Chol）分子构成的疏水锚定基团，一段用于增强水溶性的聚乙二醇（PEG）高分子，以及一个红色荧光分子Cy5。如图1所示，由于在水溶液中Cy5分子之间容易形成二聚体的结构进而发生分子间共振能量转移，该探针的荧光发射会在一定程度被淬灭；而当胆固醇分子锚定至细胞膜上时，细胞膜的流动性会驱使荧光探针发生侧向扩散，从而打破了Cy5分子间的二聚体状态并实现了荧光增强。实验结果显示，该荧光探针不仅在体外实验中实现了高质量的免清洗细胞膜荧光成像（图2），而且能够对斑马鱼胚胎的表皮细胞膜进行原位荧光标记（图3）。

图1 荧光探针Chol-PEG-Cy5的免清洗成像及斑马鱼胚胎表皮细胞膜成像的原理图。

图2 荧光探针Chol-PEG-Cy5可实现对各类细胞的细胞膜荧光成像。

图3 经过三维重建的斑马鱼胚胎表皮细胞膜荧光成像图片。

  由于斑马鱼胚胎的表面覆盖有亲水性的黏液层，这使得疏水性的膜染料很难与内部的表皮细胞接触，而Chol-PEG-Cy5在PEG链的协助下则能够穿过黏液层并最终锚定在表皮细胞膜上。相比于传统的转基因荧光标记和免疫荧光染色等方法，该策略具有染色时间短（约10分钟）、方法简便、成本低廉、可活体成像等优势。随后，该课题组利用这种荧光探针动态监测了斑马鱼胚胎眼部区域的表皮细胞在发育过程中的形态变化（图4），并且发展了一种用于评价纳米材料（如金纳米颗粒和氧化石墨烯纳米片）对斑马鱼表皮组织毒性的新方法（图5）。

图4 处于不同发育阶段的斑马鱼胚胎的眼部明场照片及荧光成像图片。

图5 经金纳米颗粒或氧化石墨烯纳米片处理后的斑马鱼胚胎的荧光成像图片及存活率曲线。

  相关研究成果以“Efficient cell surface labelling of live zebrafish embryos: wash-free fluorescence imaging for cellular dynamics tracking and nanotoxicity evaluation”为题在线发表于Chemical Science。东南大学的博士生贾浩然和祝雅璇为该论文的共同第一作者，东南大学的吴富根教授为该论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和东南大学研究生院科研基金等项目的大力支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1039/C8SC04884C