线粒体不仅为真核细胞提供能量，还与细胞内多种活动密切相关。而线粒体功能的缺失以及病变会导致糖尿病、心律失常、阿尔茨海默病等多种疾病。在线粒体成像研究中，商业荧光探针通常因抗光漂白能力较差而容易被快速猝灭。此外很少有报道称线粒体靶向荧光探针能够穿透血脑屏障，因此现有荧光探针难以满足观察线粒体动态和相关脑部疾病成像的需求。硅纳米点(SiNDs)是一种新兴的纳米材料，其优异的光学特性(光稳定性好、量子产率高等)促使其在荧光探针领域迅速发展。此外，表面带正电荷且具有两亲性的小粒径SiNDs可以满足穿透血脑屏障的基本要求。因此，开发具有血脑屏障穿透能力和优良光学性能的新型荧光SiNDs探针对于生物学成像具有重要意义。
近期，苏州医工所董文飞研究员团队采用一步水热法制备了一种具有高度生物相容性的红光发射硅纳米点（R-SiNDs）用于线粒体动态成像和血脑屏障穿透成像（图1）。在三种细胞系内线粒体共定位分析发现R-SiNDs的皮尔森相关系数分别达到了0.94，0.91和0.92，显示出R-SiNDs对线粒体具有优异的靶向性。之后研究人员探究了线粒体膜电位与R-SiNDs靶向性的关系，并计算出R-SiNDs的脂水分配系数为1.82，表明R-SiNDs对线粒体的靶向性得益于其表面正电荷和优异的两亲性。基于良好的光稳定性，R-SiNDs还可用于线粒体的动态监测。图2a为R-SiNDs对活细胞内线粒体的成像。图2b-c分别记录丝线状线粒体的融合以及分裂过程。图2e则记录了脂滴（绿色）与线粒体（红色）的动态相互作用。脂滴位置和线粒体形态的改变使得两个细胞器的接触面积更大，更有利于物质交换。以上结果证实了线粒体与其他细胞器相互作用的可视化过程。研究人员还利用R-SiNDs对斑马鱼进行成像，并在斑马鱼脊髓中央管中观察到R-SiNDs的出现。推测R-SiNDs的粒径大小，表面正电荷和两亲性共同促成了R-SiNDs对斑马鱼血脑屏障的穿透。
综上所述，该研究对于了解活细胞线粒体动力学，研究线粒体与细胞器的相互作用机制具有重要意义。同时R-SiNDs对血脑屏障的穿透能力也为线粒体相关脑部疾病的诊断提供了一个潜在工具。该研究成果以“Red-emissive silicon nanodots with highly biocompatible for mitochondrial dynamic tracking and blood-brain barrier penetration imaging”为题发表于期刊Sensors and Actuators B: Chemical（中科院一区TOP，IF=8.4）。博士研究生柳裕禄为第一作者，董文飞研究员与昝明辉博士为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135523
图1. R-SiNDs的合成示意图，以及在线粒体动力学成像和斑马鱼神经系统成像中的应用
图2. （a）R-SiNDs染色PANC-1细胞内的线粒体图像；（b）R-SiNDs标记的线粒体融合过程；（c）R-SiNDs标记的线粒体分裂过程；（d）线粒体融合和分裂示意图；（e）PANC-1细胞经R-SiNDs和脂滴染料共染色后的图像；（f）线粒体包裹脂滴的示意图。标尺：10 μm
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