类固醇硫酸酯酶（STS）是一类产生于内质网的水解酶，其催化硫酸化类固醇的水解，从而介导多种雌激素依赖性肿瘤（如乳腺癌、卵巢癌和子宫内膜癌）的生长和迁移。然而，由于缺乏直接有效的方法对活细胞及组织中的STS进行原位示踪和定量分析，因此，在深入了解STS相关疾病与肿瘤治疗方面仍然存在巨大挑战。近日，湖南大学的袁林教授（点击查看介绍）小组通过理论计算和分子模拟，提出了一种新颖的双光子比率荧光检测方法（图1），首次实现了活细胞和组织中内源性STS的比率检测，并用于区分雌激素依赖性肿瘤细胞与其他类型的细胞。

图1. 双光子比率荧光探针ERNathS的设计及生物成像应用

该课题组从STS晶体结构的催化活性中心入手，基于理论计算和分子内电荷转移（ICT）机制，发展了一种新型的内质网靶向双光子比率荧光探针ERNathS。通过分子对接模拟实验（图2），发现探针ERNathS能够进入STS疏水性催化活性空腔，其识别位点的负电荷硫酸盐与催化中心的正电荷残基(Lys 123 and Lys 302)发生作用，并与Ala 69、Lys 123和Lys 302形成了强的氢键，其氢键长度分别为1.673、2.017、2.677和1.664 Å。这种较短的空间距离既可提高STS的水解效率，又保证探针与STS之间的特异性识别。因此，探针ERNathS在单/双光子激发时均表现出对STS高的选择性和灵敏度，以及较好的荧光比率变化（I₅₆₄/I₄₅₁）（图2）。该探针可以用于活细胞内质网和肿瘤组织中内源性STS活性的成像检测，也可以区分正常细胞和不同类型的肿瘤细胞。这些结果表明探针可以作为一种有用的分析工具用于活细胞和组织水平上STS的检测，并为STS相关肿瘤的早期诊断和治疗提供重要帮助。

图2. 荧光探针ERNathS的响应光谱（A）和选择性（B）。探针ERNathS与硫酸酯酶分子对接模拟图（C）和氢键作用图（D）。

这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是湖南大学的博士研究生李伟，通讯作者是袁林教授。该工作也得到国家自然科学基金等项目的支持。

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Achieving the ratiometric imaging of steroid sulfatase in living cells and tissues with a two-photon fluorescent probe

Wei Li, Shulu Yin, Xiangyang Gong, Wang Xu, Ronghua Yang, Yichao Wan, Lin Yuan*, Xiao-Bing Zhang

Chem. Commun., 2020, 56, 1349-1352, DOI: 10.1039/c9cc08672b

导师介绍

袁林，湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室教授、博士生导师，主要研究方向为分子探针设计及生化分析应用。

http://grjl.hnu.edu.cn/cc?code=F7742B53D97CE182758967E578323672

https://www.x-mol.com/university/faculty/40462

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如前所述，类固醇硫酸酯酶（STS）是一类重要的水解酶，且与多种癌症息息相关。而目前缺乏分析工具用于原位检测生物样本中的STS。因此，基于我们课题组在光学探针设计及成像应用方面研究的长期积累，发展合适的分子探针实现细胞及组织中内源性STS的成像检测。

Q：在研究过程中遇到最大的挑战在哪里？

A：研究中最大的挑战是如何设计能够满足活细胞及组织中STS成像检测的荧光探针。由于硫酸基团带负电荷且有很好的水溶性，已报道的STS荧光探针不能穿透细胞膜，而且STS对底物也有比较苛刻的要求，因此设计能用于活细胞中STS成像的探针需要考虑多重因素。最后通过课题组在分子结构设计方面的知识，以及请教药物设计人员，才成功合成出能用于活细胞中STS成像应用的荧光探针。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：ERNathS是首例能用于活细胞中STS成像检测的荧光探针，在生物学、基础医学等领域的科研研究具有潜在的应用价值。