细胞衰老是一种阻止细胞进入细胞周期的永久性病变过程。其主要由DNA损伤、端粒缩短和功能障碍、致癌和其他类型的细胞应激引起，具体表现为细胞形态扩张、溶酶体pH升高、对生长因子的反应性丧失以及细胞中衰老相关的β半乳糖苷酶(SA-β-gal)活性、活性氧（ROS）水平增加等特征。衰老细胞的过度积累可引发多种疾病，如肿瘤、退行性疾病等，因此，β-gal活性的异常积累是研究细胞衰老的一种重要的生物标志物，其主要存在于衰老细胞和卵巢癌细胞中。目前，商品化的β-gal测试方法是5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-d-吡喃半乳糖苷（X-gal）测定法，该方法的主要缺点是需将细胞手动固定在培养皿上并手动计数、反应时间长、检测灵敏度差等。因此，设计高灵敏度、实时监测的β-gal活性的探针，不仅对探索细胞衰老相关的生理过程具有重要意义，而且对β-gal在生物医学研究中具有重要价值。
丁彩凤教授、张鹏副教授课题组以氰基亚乙烯基染料（BMZ）为荧光团，引入电子受体（苯并噻唑）、π-共轭桥（氰基乙烯基）、电子供体（N，N-二乙基苯胺）和β-半乳糖苷键，构建了一例可用于检测β-gal活性的比率型荧光探针。该探针结构中的二乙基氨基可使其靶向进入细胞中的溶酶体。探针在470 nm处具有最大吸收，在620 nm处有激基缔合物的荧光发射，与β-gal孵育后，10分钟内其荧光蓝移到533 nm，表明糖苷键被去除，并发生自发取代，原位产生新的荧光产物。探针于衰老细胞中的溶酶体共定位实验展示出较高的共定位系数，证明了其对溶酶体中β-gal活性检测的有效性。通过羟基脲和活性氧诱导的PC-12、Hep G2和RAW 264.7细胞衰老成像研究显示，该传感平台可用于药物及氧化应激引发的细胞衰老可视化分析，结果经X-gal试剂法证实。此外，在小鼠模型中连续注射衰老药物羟基脲或D-半乳糖5周后，在特定通道中观察到显著的荧光变化，因而该探针也能够实现对生物体内药物诱导的机体衰老的荧光分析。同时，还检测到了器官水平上细胞特异性器官和皮肤组织的衰老，证明药物诱导的大脑、皮肤和肌肉组织衰老最为严重。这些实验结果表明该探针在衰老生物医学研究中的具有重要的应用价值。
相关成果以“Ratiometric Fluorescent Probe for Real-Time Detection of β-Galactosidase Activity in Lysosomes and Its Application in Drug-Induced Senescence Imaging”发表于国际分析化学权威杂志Analytical Chemistry（Anal. Chem., 2024, 96, 7, 3223-3232）。
近日，该团队在上述研究基础上，开发了一种基于三重响应机制的新型荧光传感分子SA-HCy-1，以具有近红外荧光发射的部花菁染料为发色团，通过自消除连接体修饰半乳糖，用于精确跟踪衰老情况。在较高pH值（pH>6.0）的衰老细胞溶酶体环境中，SA-β-gal选择性水解糖苷键，随后4-羟基苄基键自发进行1,6-消除，释放出713 nm的近红外荧光，这是卵巢癌细胞溶酶体衍生的β-gal无法达到的。花菁骨架上的双键可被衰老细胞中过表达的ROS破坏(如ClO-)，生成发射为青色的产物，提供以468 nm和713 nm为中心的比例荧光，准确反映细胞衰老程度。得益于SA-β-gal、pH和ROS三个维度的全面控制，探针SA-HCy-1能够高精度地跟踪衰老过程。通过阿霉素诱导及多次传代RAW 264.7细胞衰老成像研究显示，该传感平台可用于药物诱导及自然衰老引发的细胞衰老可视化分析，结果经X-gal试剂法证实且表现出了更好的性能。值得一提的是，该探针在小鼠皮肤光衰老模型进一步进行了实际应用，该研究表明探针SA-HCy-1可用于评估皮肤衰老程度和防晒产品的工作效率。
该研究成果近期以 “A near-IR ratiometric fluorescent probe for the precise tracking of senescence: a multidimensional sensing assay of biomarkers in cell senescence pathways”为题发表于化学领域顶级期刊Chemical Science上，文章的第一作者是2020级硕士研究生刘海红，通讯作者是张鹏副教授、张倩副教授和丁彩凤教授。该研究得到国家自然科学基金（22004078, 22074074和 21904077）、山东省自然科学基金面上项目（ZR2020MB065）、山东省高校优秀青年创新团队项目（2022KJC004）和青岛市自然科学基金（23-2-1-175-zyydjch）的资助支持。
论文信息：Chemical Science（Chem. Sci., 2024, DOI: 10.1039/D4SC00595C）