8-羟基喹啉在细胞成像中的应用与细胞标记技术

8-羟基喹啉（8-Hydroxyquinoline，8-HQ）是一种含氮杂环芳香化合物，其分子结构中的酚羟基与喹啉环氮原子具有强配位能力，可与多种金属离子（如Al³⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺）形成稳定的荧光配合物，这一特性使其成为细胞成像领域的重要荧光探针骨架，广泛应用于细胞内金属离子检测、细胞器靶向标记及生物活性分子示踪，同时衍生出多种高效的细胞标记技术。

一、8-羟基喹啉用于细胞成像的核心优势

8-羟基喹啉及其衍生物之所以适用于细胞成像，源于其结构与性能的双重优势：

1. 金属离子配位特异性强

8-羟基喹啉分子中的O、N原子可与金属离子形成稳定的五元或六元螯合环，不同金属离子配合物的荧光波长存在显著差异（如Al³⁺-8-HQ配合物发射蓝紫色荧光，Zn²⁺-8-HQ配合物发射黄绿色荧光），可实现对细胞内特定金属离子的精准识别与区分。

2. 荧光量子产率高，光稳定性好

游离的8-羟基喹啉荧光较弱，与金属离子配位后，分子的共轭体系更加稳定，荧光量子产率显著提升（部分配合物量子产率可达0.3–0.6）；同时，其配合物具有良好的光稳定性，在持续激发光照射下不易发生荧光淬灭，满足长时间细胞成像的需求。

3. 细胞通透性与生物相容性佳

8-羟基喹啉分子体积小、脂溶性适中，可自由穿透细胞膜进入细胞内；在生理浓度范围内（μmol/L级别），它及其金属配合物对细胞的毒性极低，不会影响细胞的正常增殖、代谢与凋亡，符合活细胞成像的生物安全性要求。

4. 结构修饰灵活性高

通过在8-羟基喹啉分子的苯环或喹啉环上引入不同官能团（如羧基、氨基、磺酸基、靶向基团），可调控其水溶性、靶向性与荧光性能，拓展在细胞器靶向成像、活体成像等领域的应用。

二、8-羟基喹啉在细胞成像中的主要应用场景

1. 细胞内金属离子的荧光检测与成像

细胞内的金属离子（如Zn²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺）参与多种生理过程，其浓度异常与神经退行性疾病、ai症等密切相关。8-羟基喹啉及其衍生物是检测这些离子的经典荧光探针：

锌离子检测：Zn²⁺是细胞内含量丰富的过渡金属离子之一，参与突触传递、基因表达调控等过程。8-羟基喹啉与Zn²⁺配位后形成的配合物在紫外光激发下发射强黄绿色荧光，可实现对活细胞内游离Zn²⁺的实时追踪。例如，衍生化的8-HQ探针（如TSQ、Zinquin）已广泛用于神经元突触间隙Zn²⁺的成像，揭示其在神经信号传导中的作用。

铝离子检测：Al³⁺的过量蓄积与阿尔茨海默病的发病密切相关。8-羟基喹啉与Al³⁺形成的配合物发射特征蓝紫色荧光，可特异性识别细胞内的Al³⁺，并通过荧光成像直观反映其在细胞内的分布与浓度变化，为研究Al³⁺的神经毒性机制提供工具。

铁离子检测：Fe³⁺是细胞内血红蛋白、细胞色素的核心组成元素，其代谢失衡会引发氧化应激。8-羟基喹啉对Fe³⁺具有高选择性配位能力，配合物的荧光强度与Fe³⁺浓度呈良好线性关系，可用于细胞内Fe³⁺的定量检测与定位成像。

2. 细胞器靶向成像

通过对8-羟基喹啉分子进行靶向修饰，可实现对线粒体、溶酶体、细胞核等特定细胞器的标记成像：

线粒体靶向成像：在8-羟基喹啉分子上引入亲脂性阳离子基团（如三苯基膦），利用线粒体膜电位的差势，探针可主动富集到线粒体中。与线粒体基质内的金属离子配位后，探针发出特异性荧光，从而实现线粒体的靶向成像，用于监测线粒体的形态变化、膜电位波动及氧化应激状态。

溶酶体靶向成像：在8-羟基喹啉分子上引入吗啉基团，该基团可在溶酶体的酸性环境（pH 4.5–5.5）中质子化，使探针通过静电作用靶向富集到溶酶体中。结合金属离子配位荧光特性，可用于溶酶体的动态追踪与功能研究。

细胞核靶向成像：在8-羟基喹啉分子上引入氨基基团，氨基可与细胞核内的核酸磷酸基团结合，实现细胞核的靶向标记。通过调控配合物的荧光波长，可与其他细胞器探针联用，实现多细胞器的共定位成像。

3. 生物活性分子的示踪成像

8-羟基喹啉衍生物可作为荧光载体，与生物活性分子（如多肽、抗体、酶底物）偶联，实现对目标分子的细胞内示踪：

例如，将8-HQ-Al³⁺荧光配合物与肿liu靶向肽偶联，探针可特异性识别肿liu细胞表面的受体并被内吞，通过荧光成像实时追踪靶向肽在细胞内的转运路径，为肿liu靶向药物的研发提供可视化依据；

此外，8-羟基喹啉探针可与酶底物结合，当底物被细胞内的特定酶水解后，探针释放并与金属离子配位，触发荧光信号的“开启”，从而实现对酶活性的原位检测与成像。

三、基于8-羟基喹啉的细胞标记技术

1. 直接配位标记技术

这是基础的细胞标记方法，利用8-羟基喹啉与细胞内源性金属离子的配位作用实现荧光标记：

操作流程：将8-羟基喹啉探针溶于细胞培养液（浓度通常为1–10μmol/L），与活细胞共孵育10–30分钟，探针穿透细胞膜后与细胞内的目标金属离子配位，形成荧光配合物；用缓冲液洗涤细胞以去除未结合的游离探针，随后在荧光显微镜或激光共聚焦显微镜下成像。

优势：操作简便、无需复杂预处理，适用于活细胞内源性金属离子的快速检测；

局限性：依赖细胞内源性金属离子的浓度，对于低丰度离子可能存在荧光信号弱的问题。

2. 外源金属离子负载标记技术

针对细胞内目标金属离子丰度低的问题，可采用“探针+外源金属离子”共孵育的标记策略：

操作流程：将8-羟基喹啉探针与外源金属离子（如ZnCl₂、AlCl₃）按1:1的摩尔比混合，预孵育形成荧光配合物，再加入细胞培养液中；或先将外源金属离子负载到细胞内，再加入该探针进行配位标记。

优势：可人为调控荧光信号强度，提升低丰度离子的检测灵敏度；适用于构建体外细胞模型的成像研究；

注意事项：需严格控制外源金属离子的浓度，避免过量金属离子对细胞造成毒性损伤。

3. 靶向修饰标记技术

通过化学修饰在8-羟基喹啉分子上引入靶向官能团，实现对特定细胞或细胞器的精准标记：

细胞器靶向修饰：如前文所述，引入三苯基膦（线粒体）、吗啉基团（溶酶体）等，使探针具备细胞器靶向能力；

细胞靶向修饰：引入肿liu特异性抗体、适配体或靶向肽，使探针仅在目标细胞（如肿liu细胞、神经元细胞）内富集并产生荧光信号，实现特异性细胞标记成像；

优势：标记特异性强，可有效降低背景荧光干扰，提升成像对比度；适用于复杂生物样本（如组织切片、活体动物）的成像研究。

4. 荧光共振能量转移（FRET）标记技术

将8-羟基喹啉金属配合物作为FRET供体，与另一种荧光受体分子偶联，构建FRET探针用于细胞内生物分子的动态监测：

例如，将8-HQ-Zn²⁺配合物（供体，发射绿光）与罗丹明（受体，发射红光）通过柔性 linker 连接，当探针与目标生物分子结合时，linker 构象改变，供体与受体的距离缩短，触发FRET效应，荧光信号从绿光变为红光；通过监测荧光波长的变化，可实时追踪目标分子在细胞内的动态变化。

优势：检测灵敏度高、特异性强，可实现对生物分子相互作用的原位实时监测。

四、应用局限与优化方向

1. 现存局限性

荧光波长覆盖范围窄：传统8-羟基喹啉金属配合物的荧光发射波长多集中在紫外-可见光区（350–550nm），在生物组织成像中易受背景荧光干扰，且穿透深度有限；

靶向选择性需进一步提升：部分靶向修饰的8-羟基喹啉探针存在脱靶现象，影响成像的精准性；

对复杂生物环境的适应性差：在细胞内复杂的离子环境中，可能存在其他金属离子的竞争配位，导致荧光信号的特异性下降。

2. 优化方向

开发近红外荧光探针：通过结构修饰（如引入共轭芳香基团），将8-羟基喹啉配合物的荧光发射波长拓展至近红外区（650–900nm），降低生物组织背景干扰，提升活体成像的穿透深度；

构建智能响应型探针：设计基于pH、酶、氧化还原电位等刺激响应的8-羟基喹啉探针，实现对细胞内微环境变化的精准响应与成像；

联用多种成像技术：将8-羟基喹啉荧光成像与磁共振成像（MRI）、光声成像等技术结合，实现多模态成像，为生物医学研究提供更全面的信息。

8-羟基喹啉凭借其金属离子配位荧光特性、良好的生物相容性与结构修饰灵活性，成为细胞成像领域的重要工具。其应用覆盖细胞内金属离子检测、细胞器靶向成像、生物活性分子示踪等多个方向，衍生的多种细胞标记技术为生命科学研究提供了可视化手段。未来通过结构优化与技术联用，8-羟基喹啉探针将在精准医学诊断、药物研发等领域发挥更大的作用。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com