锌离子(Zn2+)的化学生物学对人类健康至关重要，其浓度分布在不同细胞器或组织内显示出很高的异质性 (nM 至 mM数量级)。过去20年间，荧光成像技术由于其指示的直观性逐渐成为研究锌离子化学生物学不可或缺的利器，而锌离子荧光探针作为该技术和核心工具也得到了长足的发展。
胰岛素在胰岛β细胞中与锌离子共结晶形成致密核心并在高浓度葡萄糖刺激下共同释放至细胞外参与血糖调控，所以特异性标记胰岛素/Zn2+晶体结构可以指示胰岛素囊泡分泌事件。北京大学分子医学研究所彭晓红博士在陈良怡教授的指导下，研发了一套新的胰岛成像技术来探究胰岛素的分泌机制：利用锌离子荧光探针特异性标记Zn2+/胰岛素的晶体结构，采用高速转盘共聚焦显微镜(spinning-disc confocal microscopy)成像，可在无损胰岛上观察每个β细胞的胰岛素囊泡分泌事件。但市面上的锌离子荧光探针仍存在亲和力普遍过高、发射波长较短而无法与其他颜色荧光探针联用、生物相容性差、光毒性较高等问题，限制了其在该技术中的应用。
2018年，陈知行研究员加入了北京大学，建立了分子探针技术实验室。和陈良怡教授课题组等多个合作团队在生物成像方向形成了交叉学科群，共同推动国家成像中心的建设和未来成像技术的发展。陈知行研究员团队张钧维和吴云翔开展了锌离子探针的合作研究。传统以四甲基罗丹明为母体的不透膜锌离子染料（RhodZin-1）由于其荧光母核较强的亲脂性而进入细胞产生非特异性染色，并在长时程荧光成像过程中产生光毒性导致细胞凋亡。团队将罗丹明母核中位于N原子上的甲基替换为吗啉环以增强荧光母核的亲水性，使其长时间停留在细胞外进而避免非特异性染色以及光毒性，从而实现了对于胰岛素囊泡分泌事件的长时间监测。
通过改变荧光探针螯合基团的化学结构，团队构建了5种具有不同亲和力（Kd为 190 nM 至 74 μM）的红色锌离子荧光探针PKZnR 1-5，并成功在来自鼠源和人源的细胞和组织层次上实现了胰岛素囊泡分泌事件的长时程监测。该系列探针还可以对胰岛素的异常分泌动态进行实时响应，预示了其在高通量筛选治疗胰岛素分泌异常疾病药物中的潜在应用。
本文作者：ZJW
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202109510
原文引用：Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202109510