内容提要
甲醛（Formaldehyde，FA）是一种重要的内源性代谢产物，参与多种生物学过程，但其异常水平严重威胁人类健康，荧光探针技术以其无创、快速、灵敏等特点，为活细胞和动物模型中FA的实时监测提供了有效手段。尽管荧光探针取得了重大进展，但对于大脑中FA的检测，穿透血脑屏障（BBB）是一个挑战。本文系统地综述了有机小分子荧光探针的设计策略和识别机制，近年来，第一次详细介绍了它们在病理生理过程中的成像应用，如神经退行性疾病，糖尿病，癌症，炎症，细胞凋亡和氧化应激。
FA检测的有机小分子的检测机理
Aza-cope增强机制
已经报道了基于2-氮杂-Cope反应的荧光探针，其通过在探针的高烯丙基胺部分和FA之间形成亚胺中间体来操作。该中间体随后经历2-氮杂-Cope重排，导致两碳连接体的消除和荧光团的释放,科普重排反应机理对FA的识别具有很高的选择性和灵敏度，通过比率设计进一步提高了检测的可靠性和直观性，为FA的检测提供了有力的工具。比率荧光探针以其独特的内标能力、增强的信噪比、对复杂环境的适应能力、多通道成像能力以及广阔的发展和应用前景，在生物研究和医学诊断中越来越重要。2017年，Chang等报道了两种比率荧光探针1a和1b，靶向活细胞中的FA检测。两种探针均采用具有高烯丙基胺触发基团的氨基香豆素荧光团，其在与FA反应时产生比率荧光响应。在高烯丙基胺中具有偕二甲基基团的探针平台触发双分子速率常数的加速。探针1a，探针1b的亲水性乙二醇-己基氯侧链被明确地设计为改善溶解度并促进均匀的细胞内分布，从而防止聚集。两种探针都显示出对FA的高选择性和灵敏度超过其他反应性物质，探针1b在体外可检测低至0.3 μM的FA。该探针无毒，可实现真实的-它们还被应用于各种细胞系中的FA成像，并监测乙醇脱氢酶5（ADH5）敲除细胞中升高的FA水平。2024年，Chang等报告了一种用于FA检测的双靶向比率荧光探针（2b）。探针2a和2b在连接FA-敏感香豆素核与靶向药物的三苯基膦（TPP）部分的接头长度上表现出结构差异。具体地，探针2a利用短的4-亚甲基接头，而探针2b结合了更长的亲脂性C11烷基链。探针2b中的C11接头表现出明显优于其较短的对应物的上级性能，促进有效的线粒体定位，增强细胞摄取，并提高对FA水平内源性波动的敏感性。探针2b进行成像实验，以监测各种细胞系中的FA动态，包括那些具有影响FA代谢的基因突变的细胞系。探针的亚细胞靶向能力允许以增强的空间分辨率检测线粒体FA池。
FA检测的基于亚甲基肼的机制
利用基于亚甲基肼的机制的荧光探针，突出了亚甲基肼基团的双重功能。荧光团的光诱导电子转移（PET）过程，有效地淬灭了荧光。当遇到FA时，亚甲基肼基团与FA发生缩合反应，形成腙键。该反应破坏了PET过程，导致荧光强度显著增加。特别是，基于亚甲基肼的反应在某些情况下是可逆的，这使得该探针适合于监测FA水平的动态变化，基于亚甲基肼的机制已经成为开发高选择性和灵敏度的FA检测荧光探针的有力工具。从Li等报道的2017年探针12开始，该探针表现出对FA的超快速和可逆检测，检测限低至0.4 μM。探针12在与FA相互作用后经历ICT过程，增强荧光。该探针的快速响应和低毒性使其适用于活神经血管细胞和脑组织切片中的外源性和内源性FA成像。这种能力有助于揭示关键脑区域（如皮质和海马）中的异常FA蓄积，包括AD模型。表2总结了基于亚甲基肼机制的FA探针的性能比较。这些延长的时间对于时间敏感的应用来说可能是一个显著的缺点。基于亚甲基肼机制的探针面临的挑战是，如果它们不能有效地区分FA与其他类似化合物，检测结果的准确性可能会降低。
利用基于甲亚胺的机制的荧光探针已被报道为检测FA的有效策略。探针内的胺基与FA反应形成席夫碱，也称为亚胺或甲亚胺键。该反应通常是可逆的，亚胺键的形成改变了探针的电子性质。Qin等报道了一种用于检测FA的高选择性荧光探针（32），探针32包含BODIPY荧光团和邻苯二胺作为反应基团，与FA反应后，探针在525 nm处显示荧光发射增加，该探针的检测下限为0.104 μM，响应时间约为90 min，已成功应用于活细胞中FA的荧光成像和FA气体的检测。荧光性质的变化，例如荧光强度增加或发射波长的偏移。2018年，Qin等报道了一种用于检测FA的高选择性荧光探针（32），探针32包含BODIPY荧光团和邻苯二胺作为反应基团，与FA反应后，探针在525 nm处显示荧光发射增加，该探针的检测下限为0.104 μM，响应时间约为90 min，已成功应用于活细胞中FA的荧光成像和FA气体的检测。Chen等人还报道了一种利用BODIPY荧光团的可逆荧光探针，用于检测活细胞和体内的FA 。当遇到FA时，该探针在515 nm处的荧光强度显示出浓度依赖性降低，该探针定位于细胞质中，可跟踪不同细胞中外源性和内源性FA浓度的波动，在动物模型中，探针33用于观察小鼠海马中的FA水平，并且通过捕获BALB/c小鼠腹腔的图像，也证明其能够在体内成像FA水平。四苯乙烯（TPE）荧光团具有荧光量子产率高、可忽略的光漂白和低毒性等优点。2018年，Jiang等报道了一种用于FA检测的基于AIE的荧光探针（34）。该探针包含与两个胺部分连接的修饰的TPE核心。与FA反应后，探针34发生分子内缩合反应，导致荧光增强的超低检测限为40 nM和快速响应时间约90 s。这些属性使其非常适合于各种应用，包括活细胞中内源性和外源性FA的实时成像。2018年，Xu等报道了一种用于检测活细胞和植物组织中FA的双靶点荧光探针（35）。该探针由唑类衍生物荧光团和氨基组成。
琥珀酰亚胺的FA检测机制
采用基于琥珀酰亚胺的设计的荧光探针，其中琥珀酰亚胺基团作为关键反应位点。在遇到FA时，琥珀酰亚胺基团与FA发生亲核加成反应，形成中间体氨基缩酮。该中间体随后对相邻酯基团进行分子内亲核攻击，引发醇解反应。该反应释放荧光酚产物并再生FA分子，保持系统内的天然FA稳态。在与FA反应之前，由于ICT和PET过程的淬灭途径的存在，探针显示淬灭的荧光。然而，在与FA反应时，探针结构经历了消除这些猝灭效应的转变，这种转变显著增强了荧光信号，提供了对FA的特异性开启响应。分析物再生荧光探针为分子检测提供了一种复杂的方法，以高特异性和最小干扰提供了对生物和环境过程的洞察，这对于准确和有意义的科学探究至关重要。
开环反应
罗丹明螺内酰胺结构在其未反应状态下不显示荧光，但在识别目标时，其荧光显着增强。这种独特的特征确保了极低的背景荧光，从而实现高信噪比成像。这种“开启”型探针对于活细胞成像特别有价值，因为它们使非特异性结合和背景噪声最小化，导致更精确和不同的成像结果。通过引入不同的取代基，可以精确调控开环和闭环结构之间的平衡，满足各种显微成像技术的特定要求。这种通用的调控策略已经成功优化了不同波长的罗丹明染料。
可逆反应
在生物化学传感中，可逆荧光探针已成为实时监测生物系统中小分子的有力工具。2019年，Lin等报道了一种用于识别SO2和FA的可逆荧光探针46。该探针的特征是通过哌嗪连接体连接萘酰亚胺供体和苯并吡喃鎓受体，启动FRET过程。加入SO2后，苯并吡喃鎓的共轭体系被破坏，抑制FRET并恢复供体的荧光。随后加入FA逆转了这一过程，恢复受体的荧光。这种动态相互作用导致了显着的蓝-绿色发射位移，该探针成功地观察了外源性和内源性SO2/FA在HeLa细胞和小鼠体内的相互作用，显示了其潜在的生物学作用，同时发现SO2可以减弱FA诱导的细胞毒性。
FA的病理生理过程荧光成像
PD模型成像
影像学技术的最新进展为PD生物标志物和治疗靶点的持续探索提供了有价值的见解。值得注意的是，2023年，Lin等人报道了一种NIR溶酶体靶向荧光探针的开发，44用于检测PD模型中的FA水平。使用鱼藤酮（Ro）诱导神经元细胞模型（PC12）细胞，他们构建了PD细胞模型。他们观察到与正常细胞相比，这些细胞内的FA水平显著升高。这一发现进一步得到了PD斑马鱼和小鼠模型中FA水平升高的成像研究的支持。通过调节这些PD模型中的FA水平，作者证明了探针44监测FA浓度动态变化的能力，表明FA可作为PD的潜在生物标志物。
抑郁模型成像
最近，成像技术的进步提供了新的见解发生在大脑中的分子变化，。在2022年，Tang等人报道了在患有抑郁症的小鼠的脑中使用16用于MDA和FA的TP荧光成像。通过构建皮质酮（CORT）诱导的抑郁模型，他们观察到与正常小鼠相比，抑郁小鼠脑中蓝色（MDA）和绿色（FA）荧光信号显著增加。此外，随着CORT喂养天数的增加，荧光信号逐渐增强，表明抑郁症小鼠脑内MDA和FA水平逐渐升高，本研究为抑郁症小鼠脑内MDA和FA协同升高提供了直观证据，突出了探针16作为探索抑郁症羰基应激相关分子机制的工具的潜力。
糖尿病模型显像。
研究人员正在不断探索创新技术，以更深入地了解糖尿病的潜在机制。2023年，Lin等最近报道了将探针22应用于糖尿病疾病模型，他们利用高糖刺激建立了糖尿病细胞模型，并用探针22监测细胞内FA水平的变化，结果显示高糖条件下细胞内FA水平显著升高，此外，通过使用链脲佐菌素诱导小鼠糖尿病和随后使用探针22的体内荧光成像，作者观察到与正常小鼠相比，糖尿病小鼠肝脏和脾脏中的FA水平显著增加。这项研究强调了探针22作为糖尿病诊断工具的潜力，监测疾病的进展，。这项研究强调了探针22作为糖尿病诊断工具的潜力，监测疾病的进展，。这项研究强调了探针22作为糖尿病诊断工具的潜力，监测疾病的进展，。通过跟踪FA水平波动评估治疗干预的有效性。
肿瘤模型显像
近年来，肿瘤模型中FA代谢的探索受到了极大的关注，因为它在各种癌症的进展和转移中起着至关重要的作用。在这种情况下，先进的成像技术已成为监测FA水平并阐明其与肿瘤生物学关系的有力工具。2023年，Lin等报道了一种利用划痕试验和荧光成像技术研究肿瘤细胞（如HeLa细胞）在不同氧浓度下迁移能力的实验设计他们监测了细胞内FA水平的相应变化。他们的结果表明，缺氧条件显著促进肿瘤细胞迁移，迁移程度与缺氧培养时间正相关。值得注意的是，细胞内FA水平在缺氧条件下也显着增加。此外，双向验证实验涉及添加低风险加重剂（LRes）促进细胞迁移或添加高风险加重剂（HRes）抑制细胞迁移，证实了FA水平与缺氧培养时间之间的相关性. 由于肿瘤转移是治疗恶性肿瘤的一个重大挑战，而FA与肿瘤进展密切相关，因此探针21 b可以潜在地监测肿瘤转移过程中的动态FA水平，为研究肿瘤转移的机制提供了新的视角。此外，通过监测细胞内FA水平响应于不同抗癌药物的变化，这种探针可以帮助筛选和优化抗癌疗法。最终，通过整合患者体内FA水平的监测，可以设计出更个性化的治疗计划，从而改善治疗效果和患者生存率。
炎症模型成像
了解炎症机制及其对各种生物系统的影响对于开发有效的治疗策略至关重要。研究人员最近探索了可视化和量化体内炎症反应的创新方法。最近的两项研究为使用新型探针检测和调节炎症反应提供了有价值的见解。使用探针21 B测定的肿瘤细胞迁移和FA水平之间的相关性（经参考文献[76]许可复制，版权2023，Elsevier B V.）。T.-T. Jia等分析化学趋势191（2025）118338。2022年，Tang等人报道了一种实验设计，其中通过腹腔注射LPS建立炎症小鼠模型。随后，使用16对小鼠腹腔进行TP荧光成像。结果表明，与正常小鼠相比，在发炎小鼠的腹膜腔中，MDA（指示MDA）和绿色荧光（指示FA）显著增强。 这表明探针16可用于检测体内羰基应激标志物。2023年，James等人报告使用探针26观察皮革提取物中存在的FA诱导的神经炎症反应。这为进一步探索FA对神经系统的潜在危害提供了强有力的工具。此外，他们观察到用抗炎药NS-398可以减轻FA引起的细胞和小鼠神经炎症和内质网应激，而不影响细胞内FA水平，这一发现为开发FA提供了新的前景。针对FA诱导的神经退行性疾病的治疗策略。
凋亡模型显像
近年来，研究细胞对化学刺激的反应在理解细胞死亡机制和存活方面变得越来越重要。Lin等人在2019年进行的一项此类研究揭示了使用探针46的SO2和FA在细胞凋亡中的复杂相互作用。然而，当同时加入SO2时，细胞凋亡明显减少，流式细胞术和Western blot分析进一步证实了SO2和FA的相互作用，表明SO2和FA的相互作用可以抑制FA诱导的细胞毒性，说明SO2和FA在维持细胞内稳态方面存在一定的平衡。
氧化应激模型成像
氧化应激，特别是内质网应激，在神经退行性疾病的发病机制中起着关键作用。在细胞和动物模型中观察和量化氧化应激对于理解疾病机制和开发治疗策略至关重要。在过去的几年中，在开发荧光探针以特异性检测和监测氧化应激标志物的变化方面取得了重大进展。2017年，Li等人报道了一项研究，其中人脑微血管内皮细胞（HBMEC）暴露于ER应激诱导剂，如毒胡萝卜素（TG）或衣霉素（TM）。使用新型香豆素-腙基荧光探针（12），他们观察到在这些内质网应激条件下内源性FA水平显著增加实时荧光成像进一步揭示了TG刺激后探针12荧光强度的动态上升。该探针对FA的快速和可逆反应表明其作为监测神经血管细胞内源性FA水平动态变化的敏感工具的潜力，这项研究为深入了解与ER应激和神经退行性疾病相关的病理过程的机制提供了有价值的见解。，Li等在2020年进一步探索了ER应激与代谢物相互作用之间的相互作用。在这项研究中，用TG和TM处理SH-SY 5 Y细胞，导致探针13的荧光强度显著增加，设计用于检测H2 O2和FA之间串扰的顺序激活荧光探针。这种增强表明ER应激可能会增强细胞内H2 O2和FA之间的相互作用。该研究强调了探针13作为研究细胞应激反应期间代谢物相互作用的工具的潜力。它提供了对细胞内H2 O2和FA之间相互作用的深入了解。与ER应激和神经退行性疾病相关的复杂代谢网络。在2023年，James等人报道了TP荧光探针26的开发，其显示出显著的检测FA的能力。通过将不同浓度的FA引入小胶质鼠细胞谱系（BV-2）细胞，该研究观察到使用探针26的细胞内荧光强度显著增加，证实了其检测外源性FA的能力。此外，该研究利用含有已知量FA的皮革提取物处理BV-2细胞和小鼠，通过荧光成像、Western印迹和流式细胞术分析揭示FA触发神经炎症和ER应激过程。该探针还允许使用TP荧光成像在小鼠脑中体内可视化由FA诱导的ER应激，此外，该研究发现抗炎药物NS-398减轻了FA诱导的神经炎症和ER应激，而不影响细胞内FA水平，这表明FA相关神经退行性疾病的潜在治疗方法。
总结和展望
本文从分子结构、设计原理、识别机制、荧光探针的应用等方面进行了探讨，以及荧光探针在病理生理过程中的广泛应用。特别关注几个关键的识别机制，如2-aza-Cope重排反应、甲基肼反应、甲酰亚胺形成反应、琥珀酰亚胺亲核加成反应等，在构建高选择性、高灵敏度的荧光探针中发挥着重要作用，并对这些荧光探针在荧光成像中的应用进行了综述。病理生理过程，如神经变性疾病、糖尿病、癌症、炎症、细胞凋亡和氧化应激，强调了它们在生物医学研究中的巨大潜力。
参考文献
Advances in small organic molecule fluorescent probes for formaldehyde detection and imaging in pathophysiological processes: A comprehensive review，Tong-Tong Jia , Guohui Kang, , Lirong Jiang *, Zhaozhou Li , Rui Zhao , Jian-Hua Qin，Huawei Niu ** , Lu-Fang Ma，Trends in Analytical Chemistry, 2025, 191, 118338，https://doi.org/10.1016/j.trac.2025.118338.
