L-半胱氨酸衍生的高尔基体靶向碳点用于铁死亡过程中谷胱甘肽波动的可视化研究

　　为解决铁死亡（ferroptosis）过程中高尔基体（Golgi apparatus）内谷胱甘肽（GSH）动态监测难题，研究人员以L-半胱氨酸（L-Cys）为碳源合成碳点（L-Cys-CDs），实现了GSH的高选择性、快速检测（1分钟内响应，LOD=0.29 μM）及高尔基体靶向成像。该探针成功应用于癌细胞鉴别和铁死亡抑制剂逆转GSH耗竭的实时观测，为解析铁死亡病理机制及疾病治疗提供了新工具。

　　

研究背景
铁死亡（ferroptosis）是一种由铁依赖的脂质过氧化（lipid peroxidation）引发的细胞死亡形式，与心血管疾病、神经退行性疾病及癌症密切相关。高尔基体（Golgi apparatus）作为调控谷胱甘肽（GSH）分泌的关键细胞器，其氧化还原稳态失衡会直接影响铁死亡进程。然而，现有高尔基体成像技术（如银染、电镜）无法实时监测GSH动态变化，且传统碳点（CDs）探针需引入金属离子导致生物毒性。如何开发一种兼具高尔基体靶向能力和GSH实时监测功能的荧光探针，成为破解铁死亡机制的重要突破口。

研究方法
研究人员通过80℃油浴回流法一步合成L-半胱氨酸碳点（L-Cys-CDs），保留前体手性结构和游离巯基（-SH）。采用高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征其形貌与结构，通过荧光光谱评估GSH检测性能，并利用共聚焦显微镜验证高尔基体靶向能力。实验模型涵盖癌细胞、正常细胞及斑马鱼，结合铁死亡诱导剂（erastin）和抑制剂（ferrostatin-1）动态观测GSH波动。

研究结果

1. L-Cys-CDs的合成与表征
L-Cys-CDs呈准球形（平均粒径3.11 nm），晶格间距0.21 nm对应石墨烯（100）晶面。XRD显示22.21°宽衍射峰，表明其无定形碳结构。FT-IR证实游离-SH和羧基（-COOH）的存在，为GSH识别提供活性位点。

2. GSH检测性能
L-Cys-CDs在1分钟内对GSH产生特异性荧光增强，线性范围0-800 μM（LOD=0.29 μM），且不受pH、粘度及生物基质干扰。机制研究表明，GSH的-SH与碳点表面二硫键（-S-S-）发生还原反应，恢复荧光。

3. 高尔基体靶向机制
L-Cys-CDs与高尔基体标志蛋白（Golgin-97）共定位系数达0.91，显著高于D-构型碳点（D-Cys-CDs）。L-型立体结构和游离-SH协同介导靶向，而D-Cys-CDs因立体位阻丧失选择性。

4. 生物学应用
L-Cys-CDs成功区分癌细胞（高GSH）与正常细胞，并实时捕捉铁死亡过程中GSH耗竭及ferrostatin-1的挽救效应。斑马鱼模型进一步证实其在活体水平的监测能力。

结论与意义
该研究首创了基于手性碳点的高尔基体GSH实时监测技术，揭示了L-型立体结构与-SH对靶向性的决定性作用。L-Cys-CDs为铁死亡相关疾病（如癌症、阿尔茨海默病）的机制研究和药物筛选提供了可视化工具，其温和合成策略（80℃低温反应）也为生物相容性纳米探针设计提供了新思路。论文发表于《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》，通讯作者为Zhefeng Fan。