1、研究背景

在生物成像领域，高/超分辨显微技术的飞速发展为生物医学研究带来了革命性的工具，实现了对细胞生理活动的三维长时程动态全景记录。然而，这些技术的进一步发展也对荧光探针提出了更高的要求。理想的荧光探针需要具备高亮度、高光稳定性、优异的生物相容性以及可调节的水溶性和细胞膜渗透性。然而，现有的荧光探针技术，如 JF 系列，在光稳定性和生物相容性方面仍有待提升。

2、助力研究

2025 年 5 月 19 日，北京大学未来技术学院陈知行团队在《Nature Methods》上发表了一篇题为“A palette of bridged bicycle-strengthened fluorophores”的文章。提出了以砜或氧取代氮杂[3.2.1]桥环为助色团创制高性能荧光探针的集成化、模块化通用设计策略，从而构建了一系列光谱横跨紫外和可见光范围的BD（Bridged Dye）系列高性能生物相容性染料，并与HaloTag蛋白质标签技术结合实现了不同尺度生物体内特定蛋白的标记及长时程/三维超分辨成像。BD染料拥有优异的亮度及出色的光稳定性，且彻底抵抗光谱蓝移造成的伪影，并在单分子成像、固定或活哺乳动物细胞和植物细胞的超分辨率成像（STED和SIM）以及斑马鱼在体成像和基于化学遗传学的电压成像实验中有良好表现，展现出显著优于已报道ATTO dye、JF Fluor、SiR等先进染料的光子预算及成像时长。

PolarSIM在该文章中的贡献

清晰观察植物细胞膜结构以及植物细胞膜动态成像

为了验证 BD 染料能否在具有细胞壁的植物中实现超分辨率成像，在烟草叶片中瞬时表达了HDEL-GFP（内质网标记）和HIR1-HaloTag7（膜蛋白标记），并与BD626_HTL一起培养。使用Polar-SIM中的双色全内反射结构光照明显微镜SIM（TIRF-SIM）成像，图像显示了ER（HDEL，绿色）和膜蛋白（HIR1，红色）清晰而特异的双色信号（图a）。作者还在拟南芥细胞中表达了HIR1-HaloTag7，并利用Polar-SIM的TIRF-SIM模式延时拍摄，观察到了清晰的细胞膜动态。在相同条件下，BD626_HTL（图b左栏）的光稳定性远高于JF646_HTL（图b右栏）。

a, Two-color TIRF-SIM images of live N. benthamiana cells expressing HDEL–GFP and HIR1–HT7 labeled with BD626_HTL. Scale bar, 5 μm. This experiment was independently repeated two times. b, Time-lapse TIRF-SIM images of live A. thaliana cells expressing HT7–HIR1 labeled with BD626_HTL or JF646_HTL. Scale bar, 1 μm.

a, 用 BD626_HTL标记的表达HDEL-GFP和HIR1-HT7的N. benthamiana活细胞的双色TIRF-SIM图像。Scale bar, 5 μm。b, 用BD626_HTL或JF646_HTL标记的表达HT7-HIR1的A. thaliana活细胞的延时 TIRF-SIM 图像。

可视化细胞线粒体外膜动态

为验证BD染料在动物细胞中的光稳定性，用稳定表达BD566_HTL标记的TOMM20-HT7的活COS-7细胞，在Polar-SIM下进行延时成像。结果表明，BD566_HTL能够进行100帧以上的SIM超分辨成像而没有光强明显下降。

a, Time-lapse SIM images of live COS-7 cells stably expressing TOMM20-HT7 labeled with BD566_HTL (500 nM, 1 h, 37 °C, one wash), scale bar=2 μm; b, Normalized fluorescence decay curves of samples in a, n = 4 in 2 independent experiments; error bar show ± s.d.

a, 稳定表达用BD566_HTL标记的TOMM20-HT7的活COS-7细胞的延时SIM图像（500 nM, 1 h，37 °C，清洗一次）, 比例尺: 2 μm；b, a中样品的归一化荧光衰减曲线，2个独立实验中的 n = 4；误差条显示 ± s.d。

总结

BD系列荧光探针通过桥联双环助色团的创新设计，不仅突破了传统荧光染料在亮度、光稳定性和抗光致蓝移的难题，而且为先进成像技术和相关生物学问题提供了实用的全系列工具包。BD系列荧光探针的设计、合成、表征及应用全面实现了国产化，这对于发展国产先进成像染料系列、打破欧美国家在该领域的垄断具有现实意义。艾锐PolarSIM的高时空分辨率、低光毒性结构光超分辨成像能力也为本文的探针性能验证实验提供了有力支持。Nature Methods以News & Views的形式发表了Frederik Brøndsted & Lei G. Wang教授的评论《Bridge to a brighter future in fluorescence imaging》，文章中对该工作给予了高度评价。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41592-025-02693-4