苯乙烯基花菁染料：技术前沿与生物应用全景图

朱拉隆功大学Tirayut Vilaivan团队2025年5月在ScienceAsia 期刊发表综述：苯乙烯基花菁染料的分子设计、合成策略及其在核酸、细胞器与蛋白质成像中的革命性应用。

摘要

苯乙烯基花菁染料（Styryl-cyanine dyes）是一类共轭有机分子，因其优异的光学性质，已成为生物成像中不可或缺的工具。本综述重点介绍了该类染料在核酸、细胞器和蛋白质生物成像中的最新进展，包括分子设计策略、合成方法、作用机制及其与生物分子的相互作用。这些进展凸显了苯乙烯基花菁染料在推动生物成像技术发展中的多功能性和关键作用，为在分子水平上可视化和理解活细胞中的复杂生物过程提供了强大工具。

关键词：苯乙烯基花菁染料、染色染料、荧光成像、核酸成像、细胞器成像、蛋白质成像

一、引言

生物成像已成为研究生命基本单位——活细胞，及理解其内部复杂生物过程不可或缺的技术。这种理解为开发新的诊断和治疗方法提供了宝贵的见解。适合特定应用的成像剂是实现有效生物成像的关键。除了能选择性地与目标靶点相互作用并具有方便的激发和发射波长外，理想的成像剂还应具备以下特性：穿透膜结构到达靶标的能力、低细胞毒性和光稳定性。因此，开发具有上述理想特性的新型染料吸引了研究人员的广泛关注。近年来，荧光有机染料分子（通常是高度共轭的芳香族化合物）已成为生物成像的关键工具。它们的结构可以灵活设计，以实现理想的物理化学、生物学和光学特性，同时保持低毒性。

花菁染料（Cyanine dyes）是高度共轭的有机分子，其特征是存在两个氮原子，一个带正电荷，另一个呈中性。这两个氮原子通过具有奇数个共轭碳原子的聚甲炔桥连接。花菁染料中的氮原子可以存在于开链构型中，也可以并入杂环结构中，如吡咯、咪唑、噻唑、吡啶、喹啉、吲哚和苯并噻唑。当只有一个氮原子是杂环的一部分时，所得结构被归类为半花菁染料（hemicyanine dye）。

苯乙烯染料（Styryl dyes）是一类共轭有机分子，其特征是苯乙烯基（Ar−CH=CH−Ar−CH=CH−）连接到另一个芳环系统。在典型的苯乙烯染料中，一个芳环是富电子的（给体），另一个是缺电子的（受体），从而创建了一个给体-π-受体（D-π-A）或推-拉系统，这是其独特光学性质的基础。缺电子部分通常是杂芳族基团，如吡啶、苯并噻唑或喹啉。在这种情况下，该分子与花菁染料具有结构相似性，通常被称为苯乙烯基-花菁（styryl-cyanine）或苯乙烯基-半花菁（styryl-hemicyanine）染料。

苯乙烯基花菁染料已有一个多世纪的历史。历史上，它们被开发用作照相应用中的敏化剂。其合成简便、结构和光学性质可调、以及良好的光稳定性，使得这些染料在许多其他应用中也非常有用，包括激光染料、染料敏化太阳能电池、光电器件和非线性光学材料。最近，它们被广泛用作组织学染色剂、荧光化学传感器、特定酶活性探针以及用于核酸和蛋白质等生物分子的探针。本篇综述旨在重点关注具有D-π-A构型的苯乙烯基花菁染料分子设计的最新进展，特别强调对细胞中大分子组分（包括核酸、细胞器和蛋白质）的可视化与生物成像。

二、合成策略

苯乙烯基花菁染料的合成主要采用以下方法：

1. Knoevenagel缩合反应：活化甲基或亚甲基与芳香醛在乙酸酐或哌啶存在下反应形成苯乙烯键。
2. Wittig反应：醛/酮与磷叶立德反应生成烯烃。
3. Horner-Wadsworth-Emmons (HWE)反应：磷酸酯稳定的碳负离子与醛/酮反应。
4. Heck反应：钯催化下卤代芳烃与烯烃耦合。

此外，本文作者团队开发了一种核酸模板合成法：将带有活性甲基的杂芳香环与芳香醛在DNA/RNA模板上近距离反应，在温和条件下高效生成染料，并可直接评估其光学性质及对特定核酸结构（如G-四链体）的选择性。

图1展示了苯乙烯基花菁染料的通用结构及合成策略。

图1

三、荧光变化机制

1. 溶剂化显色效应（Solvatochromism）
   由于D-π-A结构具有偶极矩，激发态比基态更易被极性溶剂稳定，导致吸收和发射光谱红移。
2. 分子转子行为与TICT机制
   苯乙烯基花菁染料可作为分子转子，在激发后发生分子内扭转，形成扭转分子内电荷转移（TICT）态。若分子运动受限（如结合生物分子或高粘度环境），非辐射衰减被抑制，荧光量子产率提高。
3. 聚集诱导发光（AIE）
   染料在聚集状态下分子内旋转受限（RIR），抑制非辐射衰减，导致强烈荧光发射。

四、与生物分子的相互作用

1. 与核酸的结合模式
   静电作用：正电染料与负电磷酸骨架结合，无序列选择性。
   插层作用：平面芳香分子插入DNA碱基对之间。
   小沟结合：新月形分子通过氢键与DNA小沟结合。
   例如，DSMI（DASPMI）通过小沟结合dsDNA，荧光增强约10倍；而具有更大芳香基团的染料可能插层；双苯乙烯结构则可能沿DNA小沟聚集。
2. 细胞器靶向设计
   线粒体：利用膜电位（-180 mV）吸引脂溶性正电分子。
   溶酶体：利用酸性环境（pH 4.5）吸引脂溶性胺类。
   细胞膜：引入长链烷基或胆固醇以锚定在膜上。
3. 蛋白质聚集体检测
   染料位于蛋白质相互作用界面，分子旋转受限导致荧光激活，可区分单体与聚集体。

五、苯乙烯染料在生物成像中的应用

1. 核酸成像

苯乙烯基花菁染料因其与靶标结合后光学性质显著变化，被广泛用于核酸探针。近期研究重点包括：

细胞核与染色体成像：如苯并噻唑鎓染料可用于间期核仁和有丝分裂染色体成像，不影响细胞活性。
抗菌与抗癌双功能染料：如Styryl-OL和Styryl-BT兼具成像与治疗功能。
双正离子染料：引入额外正电荷增强与核酸结合，用于细菌DNA检测及HeLa细胞中RNA成像。
序列选择性结合：某些染料对AT-rich序列或G-四链体具有选择性，如带有N-甲基哌嗪的苯并噻唑染料。
G-四链体探针：通过引入刚性侧基（如咔唑、甲基哌啶）增强对G4 DNA的选择性。
RNA特异性探针：通过非共平面结构（如PCTP、[2.2]对环芳烃）或酶解筛选法（如QUID-2）实现RNA与DNA的区分。

2. 细胞器成像

线粒体：
DASPEI：经典线粒体染料，荧光增强依赖膜电位。
酶激活探针：如MitoP-3在线粒体硝基还原酶作用下激活。
pH响应染料：如ETHC利用酚羟基pKa差异，实现线粒体（碱性）与细胞核（酸性）的双通道成像。
光控迁移探针：如SPP可在光照下从线粒体迁移至细胞核。

细胞膜：
FM染料家族：如FM1-43用于膜内化与内体循环成像。
胆固醇修饰染料：增强膜锚定能力。
两性离子染料：提高亮度、光稳定性与膜亲和力。

溶酶体：
碱性胺基靶向：如二甲氨基乙酰胺。
苯并噻唑单元：本身具有溶酶体靶向性。
硒原子引入：显著增强溶酶体选择性，如BZ-Se。

应激颗粒（Stress Granules, SGs）：
TASG与TASG-8：可标记应激条件下形成的SGs，TASG-8在成像小尺寸SGs时表现更优。

3. 蛋白质聚集体成像

传统染料：
Thioflavin T (ThT) / Thioflavin S (ThS)：常用于淀粉样蛋白成像，但发射波长短（500–550 nm），易与组织自发荧光或DAPI重叠。
Thiazole Orange (TO)：原为DNA染料，后发现其与淀粉样原纤维结合后荧光显著增强。

苯乙烯基花菁染料改进：
RB1与RB2：RB1对α-突触核蛋白纤维具有高亲和力，荧光增强112倍，发射红移76 nm。
D-16：对β-乳球蛋白淀粉样纤维具有高选择性。
RM-28：可穿越血脑屏障，特异性检测Aβ聚集体，用于阿尔茨海默病模型。
奎宁鎓/吲哚鎓染料：如染料4与tau聚集体结合后荧光增强28倍，成功用于细胞成像。

六、结论与展望

苯乙烯基花菁染料在生物成像中展现出巨大潜力，尤其在核酸、细胞器和蛋白质成像中表现突出。未来研究方向包括：

·通过结构功能化提高生物分子特异性，减少脱靶效应；
·优化光物理性质，适用于高分辨与深组织成像；
·开发兼具成像与治疗功能的双功能染料；
·利用计算建模与AI辅助理性设计；
·降低细胞毒性，提高细胞摄取效率；
·发展可区分活/死细胞的探针；
·通过经济、可放大的合成方法提高其临床与应用可行性。

参考文献

Supabowornsathit K, Faikhruea K, Vilaivan T. Styryl-cyanine dyes: State of the art and applications in bioimaging [J]. ScienceAsia, 2025, 51S(1).

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