内容提要
线粒体是一种膜结合的亚细胞细胞器，存在于各种真核生物的细胞中，包括原生动物、真菌、植物和动物。它们在细胞中的存在从一个到数千个不等。线粒体作为真核细胞的能量来源，主要产生细胞内大部分ATP，并调节细胞代谢。此外，它们在调节程序性细胞死亡、产生活性氧(ROS)和调节钙稳态中起关键作用。近年来的研究表明，线粒体形态与细胞功能密切相关。当细胞受损时，线粒体的大小、数量和结构经常发生变化。因此，开发一种有效的可视化工具来靶向和结合线粒体来监测它们的位置、运动甚至变化是很重要的。由于其结构的多功能性和优异的光谱特性，BODIPY荧光团获得了大量关注。考虑到BODIPY染料在线粒体研究中的重要性日益增加，有必要对这一领域的研究成果进行详尽的总结。本文就生物成像和光动力治疗方面的研究进展作一综述。它集中于设计策略、光谱特性、细胞毒性和功能化机制，以促进它们在细胞器成像和靶向治疗中的未来应用。
线粒体标记探针
线粒体形态异常可引起多种疾病事件，因此，线粒体成像对研究疾病的发病机制以及潜在的疾病诊断具有重要意义。随着显微镜和荧光标记技术的不断进步，许多商业化的MitoTracker被开发出来。正电荷允许它们通过静电相互作用被吸引到线粒体上，而苄基氯与线粒体蛋白形成坚固的共价键，用于持续染色/标记。
设计线粒体靶向探针的关键策略是基于静电驱动力，因此带有阳离子基团的探针是必不可少的。2013年，Peng等人报道了基于吡啶衍生的BODIPY的线粒体探针1，该探针在活细胞中表现出优异的耐光性、低毒性和不依赖mmp的摄取同样，携带三苯基磷酸2-6的BODIPYs被设计用于线粒体成像。然而，它们的波长较短(B500 nm)限制了它们在生物成像中的应用。为了解决这个问题，Peng的团队基于1,7-噻吩取代的BODIPY衍生物合成了一种近红外(NIR)荧光探针7。86 .探针以不依赖于mmp的方式定位于线粒体，允许通过测量线粒体肿胀来评估细胞损伤同时，Belfield等人开发了一种3位有咔唑的红色双光子探针，在单光子和双光子成像实验中被证明是一种有用的线粒体跟踪器之后，他们通过在中间位置插入两个短PEG链来合成水溶性近红外探针9，以增强生物相容性Lee等人通过使用光触发交联策略创建光激活探针10，进一步提高了时空分辨率89吡啶部分允许探针选择性地参与线粒体，而叠氮通过光激活自发地与线粒体蛋白产生化学交联。该方法结合了靶向基序和光控制技术，有效地将化学反应限制在线粒体内，从而在HeLa细胞成像中显示出明确的线粒体定位和高光标记。为了实现对线粒体的超分辨率观察，Jiang等人在2021年报道了一种线粒体特异性荧光探针11，使用TPP+和两个季铵阳离子作为靶向基团细胞实验证明，11具有优异的光漂白抗性和低光毒性，有望成为商业水户追踪红的替代品。令人鼓舞的是，该探针已成功应用于HeLa细胞线粒体大小和形态的超分辨率成像，显示出卓越的线粒体成像性能。
监测活性氧/活性氮/活性硫的探针
线粒体是细胞内源性活性氧(ROS)的主要来源，主要包括次氯酸/次氯酸盐(HOCl/ClO)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(1O2)、超氧阴离子(O2)、羟基自由基(OH)和脂质过氧化自由基。线粒体中ROS的产生主要发生在电子传递链(ETC)的复合物I (NADH脱氢酶)和III(细胞色素bc1复合物)上，最终导致各种病理，包括神经退行性疾病、心血管疾病、糖尿病和癌症因此，开发针对线粒体ROS的高效检测工具对于研究此类疾病的发病机制和进展，从而促进临床治疗至关重要。
活性氮种(Reactive nitrogen species, RNS)主要指含有氧化氮原子的一氧化氮(NO)及与NO相关的分子，如过氧亚硝酸盐(ONOO)和硝基(HNO)。一氧化氮合酶(NOS)酶位于包括线粒体在内的各种细胞室中，催化l -精氨酸产生NO。在生理浓度下，NO对线粒体呼吸链产生多方面的影响。它通过与细胞色素c氧化还原酶的双核中心结合，可逆地抑制细胞色素c氧化酶的活性，最终诱发包括炎症和癌症在内的多种疾病。因此，开发有效的线粒体RNS检测工具对于研究这些物质的生物学功能以及相关疾病的治疗至关重要。活性硫物质(Reactive sulphur species, RSS)，如生物硫醇、硫化氢和硫烷等，在生物系统中与细胞抗氧化和信号转导过程密切相关，在复杂的生理和病理过程中发挥重要作用。异常水平的RSS不仅是线粒体损伤和功能障碍的标志，而且也是许多疾病的原因。因此，实时监测线粒体中的硫醇水平对于揭示这些氨基酸在ROS稳态中的作用以及了解各种相关疾病的生理机制非常重要。磺胺硫监测探头。硫烷硫是指与至少一个其他硫原子成键的二价硫原子，具有S-S键。它通常以过硫化物(RSSH)、多硫化物(R-Sn-R, n z3)、多硫化氢(H2Sn, n z2)和单质硫(S8)的形式存在，并在维持细胞氧化还原平衡、管理酶作用、产生辅助因子和调节tRNA硫化方面发挥重要作用。因此，开发能够适当检测生物系统中硫的荧光探针是必不可少的。
离子监测探针
铜是人体必需的微量元素，在人体代谢中起着重要作用。铜离子含量缺乏或过量会引起不良反应，如阿尔茨海默病、门克斯综合征、威尔逊综合征、视力丧失、肝损伤等。因此，及时准确地检测线粒体中铜离子的动态浓度对人类疾病的诊断和预防具有重要意义。2011年Chang等以BODIPY为荧光基团，三苯基膦阳离子为线粒体定位基团，硫醚为Cu+识别基团，设计合成了线粒体Cu+开启荧光探针49。汞是一种剧毒的重元素，极易被生物体吸收和积累，并可通过食物链进一步传播。2016年，Das等人设计并合成了基于分子内电荷转移(ICT)机制的线粒体Hg2+近红外荧光探针51，以二甲基吡啶基单元作为Hg2+和N阳离子的识别基团作为线粒体定位基团 155该探针与Hg2+配合后，在650 nm处的近红外荧光强度显著增强(约50倍)，具有良好的选择性、快速响应(1 min内)、高灵敏度、低检出限(1.7 107 mol L1)、低细胞毒性和良好的细胞膜穿透性，可检测Hct116细胞中的线粒体Hg2+。Meldrum等人在2015年创建了第一个荧光探针52，用于线粒体中半定量检测K+，该探针使用一个氮杂环大环配体作为K+识别基团157该探针与K+相互作用后荧光强度提高130倍，具有灵敏度高、响应范围宽(30-500 mmol L1)、对pH不敏感、细胞毒性低等优点。基于TPP的引导作用，探针可以在线粒体基质中富集，最终可视化线粒体内K+内流和外排过程。
用于监测病理生理微环境的探针
细胞微环境包括黏度、温度、极性、缺氧和pH，在细胞功能(如迁移、增殖、分化和凋亡)的动态调节中起着重要作用。线粒体稳态的破坏可导致各种功能障碍甚至疾病。因此，监测线粒体内的微环境对于了解相关的生理病理至关重要。然而，这部分基于bodipyp的探针目前主要集中在粘度上，很少有关于其他因素的报道。除了线粒体靶向基序，粘度探针通常包含转子单元。在低粘度介质中，激发态能量随转子旋转而非辐射衰减，荧光被猝灭。相反，在高粘度介质中，旋转被抑制，从而减弱了非辐射耗散，大大增强了荧光信号或荧光寿命。2016年，Chang等人构建了线粒体粘度探针，53，使用三苯基膦部分作为靶组。158由于甲基单侧取代模式保留了中苯基环的旋转，53表现出非常弱的发射。随着溶剂粘度的增加，53的荧光强度连续增加到100倍以上，其荧光寿命与粘度呈良好的线性关系。最后，该探针成功用于莫能菌素诱导的线粒体粘度上调的FLIM监测。考虑到固定化探针比静电探针更可靠，Xiao等人第二年基于类似结构在三苯基膦部分加入了一个额外的活性醛基团。由于醛基可以与蛋白质的氨基形成稳定的共价键，因此54可以牢固地固定在线粒体中，而不受膜电位变化的干扰同样，由于BODIPY和苯基单元之间的C-C键的自由旋转，探针在低粘度溶剂中显示出极弱的荧光。然而，在高粘度溶液中，这种旋转是有限的，荧光恢复。最后，将探针用于鱼藤酮刺激下线粒体粘度变化的FLIM成像。
总结
线粒体靶向策略在成像和治疗研究中都具有巨大的意义。利用线粒体靶向荧光探针可以对线粒体进行高度特异性的可视化，为线粒体的功能状态、代谢活性和动态变化提供有价值的见解。此外，在PDT中，该策略促进了PSs在线粒体中的选择性积累，从而为线粒体相关疾病提供了更精确和有效的治疗。在过去的几十年里，小分子线粒体靶向染料作为传统检测和治疗方法的有益补充已经取得了很大的进展，其中BODIPY染料引起了人们的广泛关注。然而，传统形式的BODIPY染料缺乏特异性的细胞器靶向能力。它们在细胞内的定位主要受其亲脂性的支配，导致细胞间室内相对非特异性的分布。
参考文献
Mitochondria-targeted BODIPY dyes for small molecule recognition, bio-imaging and photodynamic therapy，Sisi Wang, Lizhi Gai, Yuncong Chen, Xiaobo Ji, Hua Lu * and Zijian Guo *，Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 3976，DOI: 10.1039/d3cs00456b
