基于 π 共轭聚合物的光学信号放大技术实现快速、灵敏的单细胞蛋白质成像

研究人员开发 POSA 方法解决蛋白质成像难题，实现单细胞多重放大成像，助力生物医学研究。

　　在生物医学研究领域，探索细胞内部的奥秘就像在黑暗中寻找宝藏，而蛋白质成像技术则是那照亮前路的明灯。免疫荧光（IF）技术作为常用的蛋白质成像手段，就像给细胞里的蛋白质贴上荧光标签，让科学家们能直接观察到它们的 “身影”。然而，IF 技术存在着一些难以忽视的问题，比如光谱拥挤问题使得它在实现高度多重成像时困难重重，就好比在一个狭小的空间里塞进太多相似的东西，很难把它们区分开来；而且对于低丰度蛋白质的成像，其灵敏度也不够，就像用低像素的相机去拍摄微小的物体，细节根本看不清。

为了解决这些问题，南方科技大学的研究人员展开了深入的研究。他们开发了一种基于 π 共轭聚合物的光学信号放大（POSA）方法，这项研究成果发表在《Nature Communications》上。这一成果为蛋白质成像领域带来了新的曙光，具有极其重要的意义。

研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。他们通过化学合成的手段，制备了具有不同荧光颜色的 π 共轭聚合物纳米粒子（OCPNs）；利用 DNA 序列设计技术，实现了 OCPNs 与 DNA 条形码抗体的精准配合；借助共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），对标记后的蛋白质进行高分辨率成像观察 。

下面来看看具体的研究结果：

• POSA 方法的建立与原理：研究人员基于不同的 π 共轭结构，合成了多种颜色的 OCPNs，如基于聚芴（PF）、聚（芴 - 苯并噻二唑）（PFBT）和聚（芴 - 噻吩 - 苯并噻二唑 - 噻吩）（PFTBT）的 OCPNs。通过优化制备条件，使 OCPNs 具有合适的粒径（10 - 90nm）、高 zeta 电位（约 - 40mV），保证了其结构稳定性和良好的生物相容性。同时，对 DNA 序列进行精心设计，包括成像序列（IS）、条形码序列（BS）和擦除序列（ES），通过 DNA 链置换反应实现了循环成像，理论上可实现无限多重成像（3×n）。
• POSA 方法的光学放大效果：研究人员对比了不同粒径的 OCPNs 以及传统 IF 方法的成像效果。实验结果显示，相较于未放大的对照组和传统 IF 方法，OCPNs 能够实现 28 - 126 倍的信号放大效果，并且能将荧光强度提高 6.5 - 35 倍。同时，OCPNs 还具有缩短染色时间、增强成像灵敏度、提高信噪比（SNR）以及更好的光稳定性等优势。
• DNA 链置换实现循环原位成像的可行性：研究人员设计了两种 DNA 链置换方法，即 Loc - displacement 和 NP - displacement。Loc - displacement 方法能够在 3 分钟内快速去除 OCPN 信号，适用于不同蛋白质靶点的循环成像；NP - displacement 方法虽然需要更长的孵育时间和更多的阻断 DNA，但可以保留抗体活性，用于对同一蛋白质靶点的重复成像。通过实验验证，利用 POSA 方法结合 Loc - displacement，能够在单个细胞内实现 9 种不同蛋白质的成像，且整个过程不到 1 小时。

研究结论和讨论部分指出，该研究利用荧光 π 共轭聚合物（FCPs）的高亮度，通过光学方法直接原位放大蛋白质成像。POSA 方法凭借 OCPNs 实现了与传统 IF 方法相当的成像分辨率，同时具有更高的灵敏度和特异性，且耗时更短（10 分钟 / 周期）。这种光学放大策略简化了 DNA 序列设计和成本，通过 DNA 链置换反应实现了高达 6 个周期的循环成像，证明了 POSA 方法在多重成像中的高保真度。总的来说，这项研究将 FCPs 的光学放大效应应用于单细胞中蛋白质的空间分辨和多重成像，为临床诊断和生物医学研究提供了先进的工具，有望推动相关领域的进一步发展。