Tailoring Fluorescent Probes for Organelle-Specific Imaging and Sensing / Xin Zhang.

• Exploring and visualizing biological and pathological processes in living cells are useful for both fundamental research and applications. An understanding on the molecular level for these processes with focus on tracking biomarkers, collecting information about their surroundings, and uncovering essential molecular pathways and functions in live cells are of vital interest for cell biological study and clinical diagnosis application. Fluorescent imaging technologies have become essential tools in cell biology studies, providing dynamic information about the localization and quantity of the analytes in living systems that we can not see by our naked eyes. Since the discovery of organic fluorescent dyes, unremitting efforts have been made to visualize the behaviors of specific targets by using these fluorophores as labels. Today, a variety of probes and nanoprobes have been developed for specific targeting and sensing. However, the current probes and nanoprobes still show some inherent deficiencies, such as poor specificity, strong photobleaching, high toxicity, low signal-to-noise ratio, poor cell membrane penetration, etc. To conquer these limitations, this thesis will focus on developing fluorescent platforms for bioimaging and biosensing with improved sensitivity, selectivity, specificity, and stability. A red-emitting fluorescent probe is first proposed that not only tracks the dynamic changes in real-time, during migration and fusion of lipid droplets but also monitors starvation-induced lipophagy ( Paper I ). In addition to organic fluorophores, hybrid fluorescent silica nanoparticles (SiNPs) are very promising for bioimaging/sensing owing to the advantages of low toxicity, high biocompatibility, multifunctionality, hydrophilicity and accessible surface functionality. Nonetheless, to apply SiNPs for such purposes, it is mandatory to address common problems of poor cell penetration and lack of specificity. Therefore, in this thesis, an efficient membrane-penetration SiNP is tailored with the intention to enable subcellular imaging/sensing. The proposed SiNPs are characterized by rapid cellular uptake (˂ 30 min) and specific subcellular targeting capabilities with surface modification. Finally, real-time tracking of dynamic changes in mitochondria and lysosomes during autophagy process is successfully performed ( Paper II ). Through the rational design of new functionalities on the established SiNPs, mitochondria- and lysosome-specific pH nanoprobes are further tailored for real-time monitoring of pH variations under various stimuli ( Paper III and IV ). Another ratiometric nanoprobe is developed for quantitative indication of lysosomal adenosine 5'-triphosphate (ATP) levels in living cells. The nanoprobe enables a deeper understanding of the interplay between energy metabolism and autophagy ( Paper V ). In conclusion, throughout the studies in this thesis, the fabrication and utilization of fluorescent molecular probes and SiNP-based nanoprobes for cellular probing have been investigated and analyzed. The strategies and the fabricated SiNPs can facilitate our deeper understanding of cellular pathological processes and provide basic knowledge for the development of other functional materials for life science applications. 
• Att utforska och visualisera biologiska och patologiska processer i levande celler är värdefullt både inom grundforskning och tillämpningar. En förståelse på molekylär nivå för dessa processer, med fokus på att spåra biomarkörer, samla information om deras omgivning och avslöja grundläggande molekylära vägar och funktioner i levande celler är av yttersta vikt för cellbiologiska tillämpningar och klinisk diagnostik. Dessutom har fluorescerande bildtekniker blivit oumbärliga verktyg inom cellbiologi eftersom de ger dynamisk information om lokalisering och kvantitet av analyterna av intresse i levande celler. Ända sedan upptäckten av organiska fluorescerande föreningar i slutet av artonhundratalet har ansträngningar gjorts för att "se" beteendet hos specifika biomolekyler i levande system genom att använda dessa färgämnen som etiketter. Idag har en mängd olika prober och nanoprober utvecklats för att spåra metalljoner, pH, enzymaktiviteter och signalmolekyler. Dagens tillgängliga prober har fortfarande begränsningar, såsom brist på specificitet, stark fotoblekning och toxicitet, höga signal-brusförhållanden, dålig cellmembranpenetration, etc. För att finna vägar att komma förbi dessa begränsningar är fokus i detta avhandlingsarbete. Detta görs genom att utveckla verktyg bestående av fluroescerande prober för bioimaging och biosensing med förbättrad känslighet, selektivitet, specificitet och stabilitet. I denna avhandling rapporterar vi i det första arbetet om en rödemitterande fluorogen prob som selektivt kan ackumuleras i lipiddroppar (LD) ( Paper I ). Den uppvisar inte bara ett extremt högt signal/brusförhållande och stort Stokes-skift (upp till 214 nm) utan har också utmärkt motståndskraft mot fotoblekning. Det har därför tillämpats för spårning i realtid av intracellulära LD-processer, inklusive fusions-, migrations- och lipofagiprocesser. Den utvecklade proben erbjuder här nya möjligheter för att följa LD-associerade processer, så som deras roll och mekanismer i cellulär metabolism och också studier av övergången mellan adaptiv lipidlagring och lipotoxicitet. Till skillnad från organiska fluoroforer har fluorescerande nanopartiklar (FNPs) flera fördelarna såsom låg toxicitet, hög biokompatibilitet, mångsidighet, hydrofilicitet och tillgängliga ytfunktioner som gör dem till lovande verktyg för bioavbildning. Vårt nästa steg var att utveckla nya FNPs avsedda för avbildning på subcellulär nivå. Först utevcklade vi en skräddarsydd membranpenetrerande nanopartikel som lämpar sig för subcellulär inriktning och avbildning ( Papper II ). Ytfunktionalisering av denna nanopartikel möjliggör egenskaper så som snabbt cellupptag (mindre än 30 min), med fokus på -lysosom och mitokondriell imaging och visualisering. De skräddarsydda FNP används med goda resultat för att spåra autofagiprocessen. Baserat på denna mångsidiga nanoplatform uppnådde vi ratiometriska fluorogena nanoprober genom att manipulera en fluorescensresonans energiöverföring genom rationella konstruktioner och optimeringar. De lysosom- och mitokondrie-specifikt riktade nanoproberna med anpassade pH-avkänningsenheter kan möjliggöra kvantitativ övervakning av lysosomalt och mitokondriellt pH ( Papper III och IV ) underflera olika biologiska processer i levande celler. På samma nanoplatform utvecklades en ratiometrisk prob för att övervaka nivån av lysosomalt adenosine 5'-triphosphate i levande celler ( Papper V ). Sammanfattningsvis har fluorescerande molekylära nanoprober designats för cellulära avbildingstekniker. Under hela detta avhandlingsarbete har dessa nanoprober utvecklats, undersökts och analyserats i detalj. Dessa prober och metoden för att utveckla dem kan underlätta vår förståelse av normala och patologiska cellulära processer och det kan ge en teoretisk grund för utvecklingen av andra funktionella material för life science -applikationer. 

Ämnesord

Datavisualisering  (sao)

Medicinsk teknik  (sao)

Biomolekyler  (sao)

Biosensorer  (sao)

Nanoteknik  (sao)

Natural Sciences  (hsv)

Chemical Sciences  (hsv)

Analytical Chemistry  (hsv)

Naturvetenskap  (hsv)

Kemi  (hsv)

Analytisk kemi  (hsv)

Natural Sciences  (hsv)

Chemical Sciences  (hsv)

Organic Chemistry  (hsv)

Naturvetenskap  (hsv)

Kemi  (hsv)

Organisk kemi  (hsv)

Biological Sciences  (hsv)

Cell Biology  (hsv)

Biologiska vetenskaper  (hsv)

Cellbiologi  (hsv)

Other Chemistry Topics  (hsv)

Annan kemi  (hsv)

Natural Sciences  (hsv)

Physical Sciences  (hsv)

Other Physics Topics  (hsv)

Naturvetenskap  (hsv)

Fysik  (hsv)

Annan fysik  (hsv)

Nanotechnology  (LCSH)

Medical technology  (LCSH)

Biomolecules  (LCSH)

Biosensors  (LCSH)

Information visualization  (LCSH)

Genre

government publication  (marcgt)

Indexterm och SAB-rubrik

Fluorescent imaging

Ratiometric Nanoprobe

Autophagy

Apoptosis

FRET

Fluorescerande avbildning

Ratiometric Nanoprobe

Autophagy

Apoptosis

FRET

Klassifikation

610.285 (DDC)

Vpeb (kssb/8 (machine generated))