近日，我所生物技术研究部分子探针与荧光成像研究组（1818组）徐兆超研究员团队开发了近红外单分子定位超分辨成像荧光探针“Aze-HMSiR”，降低了探针的光毒性，实现了长达50分钟的全细胞溶酶体动态超分辨成像，解析出溶酶体在全细胞范围内的分布、尺寸、pH、运动轨迹的系统性变化，并将其系统性动态特征转化为功能指标，以此为基础建立了溶酶体功能诊断模型，将溶酶体超分辨成像从“结构解析工具”扩展至“功能分析平台”，为溶酶体相关疾病的诊断和药物筛选提供了新路线。

溶酶体作为细胞的“代谢指挥中心”，其功能高度依赖于动态行为，从降解生物大分子、调控自噬到介导细胞信号传递，均与溶酶体形态、运动性及腔内pH的实时变化紧密相关。例如，溶酶体pH的轻微升高可导致水解酶失活，引发神经退行性疾病；而溶酶体尺寸的异常扩张则与癌症耐药性密切相关。然而，解析这些动态行为的核心挑战在于技术限制：传统超分辨成像探针在溶酶体酸性环境（pH 4.5至5）中易发生猝灭或持续发光，难以实现单分子定位所需的稀疏闪烁；此外，高光毒性激光严重干扰细胞稳态，使得长时程动态观测数据可信度存疑。尽管徐兆超团队此前开发的探针LysoSR-549（Angew. Chem. Int. Ed.，2022）实现了40分钟的全细胞溶酶体成像（12nm/20ms分辨率），但其561nm激发光仍引发显著光毒性，且绿光穿透力限制了活体应用。

本研究中，团队首先开发了近红外自发闪烁探针“Aze-HMSiR”，基于硅罗丹明骨架与氮杂环丁烷修饰，结合ΔGC-O热力学描述符指导的理性设计（Angew. Chem. Int. Ed.，2020），该探针在大约650nm近红外光激发下可实现酸性环境中的高效自发闪烁，且未表现出光毒性，成像时间延长至50分钟。其次，团队建立了溶酶体动态参数与功能的定量关联模型，通过同步追踪全细胞内所有溶酶体的分布、尺寸、pH及运动轨迹，发现这些参数的协同变化可作为细胞状态的“功能指纹”。例如，溶酶体分布密度的降低与pH升高共同指示自噬抑制，而尺寸的快速收缩则与膜稳定性受损相关。最后，团队将该技术应用于抗癌药物筛选与疾病诊断，在对包括紫杉醇（Paclitaxel）、雷帕霉素（rapamycin）、杠柳苷（Periplocoside）、二甲双胍（metformin）、埃拉斯汀（erastin）、重楼皂苷（polyphyllin）、吉非替尼（gefitinib）七种药物的研究中发现，杠柳苷使溶酶体尺寸缩小32%，紫杉醇诱导pH显著升高并引起溶酶体均匀分布；在阿尔茨海默病细胞模型中，溶酶体运动速度降低50%，且pH震荡幅度显著增大。这些发现不仅揭示了药物作用的新机制，更为疾病早期诊断提供了动态指标。

本研究将超分辨成像的数据维度从“结构描述”扩展至“功能诊断”。团队通过对全细胞溶酶体系统性动态的量化分析发现，溶酶体亚群的行为异质性具有功能分工，外围溶酶体运动性较高，可以通过快速运动形成“信号前哨”，而核周溶酶体运动性较差但酸性较高；利用溶酶体多维参数可实现生理、不同病理下溶酶体的区分与功能诊断；不同抗癌药物作用癌细胞后引起溶酶体特征“指纹”差异，能够实验抗癌药物的区分与筛选。此外，团队还发现杠柳苷明显区别于其它抗癌药物，能够明显降低溶酶体尺寸（32%），而其余药物诱导溶酶体尺寸变大；紫杉醇不仅能够减弱溶酶体酸性同时会诱导溶酶体的均匀分布。

超分辨荧光成像的发展历程本质上是人类对生命动态本质认知的不断深化。第一阶段以突破衍射极限为核心目标，实现了线粒体、内质网等细胞器的纳米级结构解析，但其应用多局限于静态“快照”。第二阶段聚焦于短时程动态事件观测，例如揭示线粒体分裂的两种功能模式，或利用光激活探针追踪内质网-溶酶体接触的动态过程。然而，这些研究仍受限于局部区域观测或单一参数分析。第三阶段的核心挑战在于将动态成像扩展至全细胞尺度，建立细胞器行为与功能的定量关联。

超分辨成像技术在药物筛选与疾病诊断中的应用为生命医学研究提供了新思路。通过将细胞器动态行为转化为可量化的功能指标，科研人员能够像“解码细胞语言”一样，从纳米级动态中读取疾病信号、药物响应与代谢状态。未来，这一技术有望与人工智能、单细胞测序深度融合，构建“动态成像-分子机制-临床表型”的三维研究框架。

相关研究成果以“Whole-cell Lysosome SMLM Imaging as Indicators for Functional Diagnostics with a Low-Phototoxic Spontaneously Blinking Probe”为题，发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的第一作者是我所1818组乔庆龙副研究员。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、我所创新基金等项目的资助。（文/图 乔庆龙、徐兆超）

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202503177