Tailoring Fluorescent Probes for Organelle-Specific Imaging and Sensing

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-penetrat

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 cel

ISBN (PDF) was missing in the printed version and has been added in the digital version.Funding agencies: China Scholarship Council (CSC), the Swedish ResearchCouncil (VR) (VR 2019-02409 and 2020-05437), STINT Joint China-Sweden Mobility Project (CH2017-7243), the Science and TechnologyDevelopment Fund, Carl Tryggers Stiftelse (CTS 19:379), SwedishGovernment strategic faculty grant in material science (SFO, MATLIU) inAdvanced Functional Materials (AFM) (VR Dnr. 5.1-2015-5959), the Centrein Nano Science and technology at LiTH (CeNano), and LiU Cancer networkat Linköping University