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Nat. Photon | 方晓红/王健君团队合作研发细胞超分辨成像新工具——单链超小荧光聚合物纳米点探针

在生命科学研究领域，实现生物分子的纳米尺度原位动态成像，是揭示生命过程分子机制、推动精准医学发展与创新药物研发的关键技术支撑。然而，当前常用的荧光分子探针（如有机染料、荧光蛋白）普遍存在荧光强度不足、光稳定性较差的问题，难以满足高时空分辨率下追踪单个生物分子动态变化的研究需求；另一方面，虽有高亮度、高稳定性的荧光纳米颗粒可用，但其尺寸通常大于10纳米，且表面修饰过程复杂且难以精准调控，导致无法实现生物分子的高密度特异性标记与原位实时成像。因此，研发兼具高亮度、高光稳定性，且尺寸足够小以避免干扰生物分子自身然动态的荧光探针，已成为该领域亟待突破的核心挑战。2025年10月3日，中国科学院杭州医学研究所方晓红教授团队与中国科学院理化技术研究所王健君教授团队展开跨领域合作，在国际顶尖期刊《Nature Photonics》（《自然·光子学》）在线发表题为“Single-chain ultrasmall fluorescent polymer dots enable nanometre-resolution cellular imaging and single protein tracking”（《单链超小荧光聚合物纳米点实现纳米分辨率细胞成像与单蛋白追踪》）的研究论文。该合作团队创新性提出“玻璃化冷冻”策略，通过将共轭高分子溶液低温玻璃化，以固定溶液中的每条高分子链；经去溶剂步骤后，成功制备出由单条共轭聚合物链构成的超小荧光聚合物纳米点（简称suPdots），并将其开发为新型荧光标记探针。这类纳米荧光探针的尺寸小于5纳米，不仅可实现亚细胞结构的超分辨成像，更突破了仪器限制——仅利用常规转盘共聚焦荧光显微镜，就能清晰解析单个驱动蛋白在活细胞内的运动步长，为纳米尺度超分辨成像研究提供了一款兼具强大性能与多功能性的新型工具。在性能设计与功能优化上，suPdots展现出显著优势：其一，探针选材兼顾实用性与多样性，选用可商业化获取的共轭聚合物链，且荧光光谱覆盖全光谱范围，满足不同场景的成像需求；其二，光物理特性优异，单颗粒亮度约为绿色荧光蛋白（EGFP）的15倍，且不同结构的荧光聚合物链可呈现差异化单颗粒光学行为（如On-Off闪烁、稳定荧光发射），能根据具体成像应用需求灵活选取与调控；其三，表面修饰精准可控，通过对单链聚合物进行特定官能团修饰，可实现suPdots的定量靶向修饰——将其与抗体偶联后，能够对多种亚细胞结构进行高特异性、高密度标记。在实际应用中，suPdots的性能优势进一步凸显：借助受激辐射损耗（STED）超分辨荧光显微成像技术，该探针成功揭示了网格蛋白包被内凹小体的中空环状结构；更重要的是，依托suPdots的高亮度与超小尺寸优势，研究团队使用常规转盘共聚焦荧光显微镜，以50赫兹的时间分辨率和约8纳米的定位精度，清晰解析了单个驱动蛋白在活细胞内的运动步长。这一突破克服了此前研究对复杂且昂贵的MINFLUX超分辨成像仪器的依赖，充分彰显了suPdots在推动纳米尺度单分子水平生物分子研究中的巨大潜力。图1：(a) 玻璃化冷冻制备suPdots的示意图。(b) 四种荧光聚合物制备成suPdots的电镜图与流体动力学直径。(c) suPdots特异性标记解析网格蛋白内凹小体的纳米结构(左图)和用同一束激发光和损耗光的双色STED生物成像。(d) 活细胞内纳米分辨率解析单个驱动蛋白的运动步长。综上，该研究创新性采用玻璃化冷冻策略制备单链超小聚合物纳米点（suPdots），有效攻克了当前纳米探针尺寸过大、表面定量修饰困难等关键技术瓶颈。suPdots兼具高亮度、高光稳定性的优势，且易于实现数量可控的功能化修饰，既能以较高密度对生物大分子进行标记，又能最大程度避免干扰生物分子的自身然动态。这一新型探针在STED超分辨成像、活细胞单分子追踪等领域展现出广阔的应用前景，为生命科学研究提供了重要技术支撑。论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01767-1在这项研究中，中国科学院杭州医学研究所的方晓红研究员、蒋逸飞研究员，以及中国科学院理化技术研究所的王健君研究员、范庆瑞副研究员为论文的通讯作者；中国科学院理化技术研究所特别研究助理杨宏伟博士、闫泽泉博士为论文的第一作者。<!--!doctype-->

2025-10-09

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