一种近红外快速响应型硫化氢荧光探针的合成及细胞成像

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240220

摘要/Abstract

摘要：

基于CuS的生成，设计合成了一个含氟硼二吡咯（Boron-dipyrromethene， BODIPY）的硫化氢荧光探针Mito-BPN-Cu。光物理性质研究发现，探针的最大吸收峰为694 nm，最大发射波长为805 nm。 Mito-BPN-Cu对硫化氢表现出高的选择性，且具有极快的响应速度（10 s内）。在纯乙腈体系及V（乙腈）∶V（水）=1∶1体系中，Mito-BPN-Cu对硫化氢（H₂S）均具有较高的灵敏性，其中在后者溶剂体系中的检测限达到了0.56 μmol/L。 Mito-BPN-Cu具有低的细胞毒性，在48 h、最大浓度150 μmol/L下，HCT116细胞的存活率仍大于80%。此外，该探针能特异性靶向线粒体，皮尔森相关系数（Pearson′s correlation coefficient， PCC）为0.92。鉴于该探针上述优点，Mito-BPN-Cu成功用于对HCT116细胞中的硫化氢荧光成像。

关键词: 硫化氢, 荧光探针, 荧光成像, 线粒体靶向, 近红外

Abstract:

Based on the formation of CuS， a fluorescent probe of H₂S containing BODIPY， Mito-BPN-Cu， was designed and synthesized. The study of photophysical properties show that the maximum absorption peak and the maximum emission wavelength are 694 nm and 805 nm respectively. Mito-BPN-Cu shows high selectivity for hydrogen sulfide and has an extremely fast response speed （within 10 seconds）. In both pure acetonitrile and V（acetonitrile）∶V（water）=1∶1 solvent systems， Mito-BPN-Cu has high sensitivity to H₂S， and the detection limit in the latter solvent system reaches 0.56 μmol/L. Mito-BPN-Cu showed low cytotoxicity， and the survival rate of HCT116 cells was still greater than 80% at 48 h and even the concentration of the probe was 150 μmol/L. In addition， the probe can specifically target mitochondria with a Pearson correlation coefficient of 0.92. In view of the above advantages of the probe， Mito-BPN-Cu was successfully used for fluorescence imaging of hydrogen sulfide in HCT116 cells.

Key words: Hydrogen sulfide, Fluorescent imaging, Mitochondrial targetable, Near-infrared

中图分类号:

O614.1

高长江, 黄鑫, 田亚洋, 余海峰, 王小波. 一种近红外快速响应型硫化氢荧光探针的合成及细胞成像[J]. 应用化学, 2025, 42(2): 192-200.

Chang-Jiang GAO, Xin HUANG, Ya-Yang TIAN, Hai-Feng YU, Xiao-Bo WANG. Synthesis and Cell Imaging of a Near-Infrared Fast Responsive Hydrogen Sulfide Fluorescent Probe[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2025, 42(2): 192-200.

图/表 8

图1 Mito-BPN-Cu的合成路线

Fig.1 Synthesis route of Mito-BPN-Cu

图2 （A） Mito-BPN-Cu在不同溶剂中的UV-Vis谱图；（B） Mito-BPN-Cu在不同溶剂中及（C） Mito-BPN-Cu和Mito-BPN在纯乙腈体系中的荧光发射光谱

Fig.2 （A） UV-Vis absorption spectra of Mito-BPN-Cu in different solvents； Fluorescence emission spectra of Mito-BPN-Cu in different solvents （B） and in pure acetonitrile system （C）， respectively

图3 Mito-BPN-Cu乙腈溶液中分别加入H2S及其竞争性物质前后荧光强度比值 I/I0的柱状图

Fig.3 Bar plots of fluorescence intensity ratios I/I0 before and after the addition of H2S and its competing substances to the Mito- BPN-Cu acetonitrile solution

图4 （A）探针与DTT（100 μmol/L）反应后荧光强度的时间变化图；（B）探针与L-Cys（100 μmol/L）反应后荧光强度的时间变化图；（C）探针与Na2S（100 μmol/L）反应后荧光强度的时间变化图

Fig.4 （A）Temporal plot of fluorescence intensity in reaction of the probe with DTT （100 μmol/L）；（B）Temporal plot of fluorescence intensity after reaction of the probe with L-Cys （100 μmol/L）；（C） Temporal plot of fluorescence intensity after probe and Na2S （100 μmol/L）

图5 （A） H2S滴定 Mito-BPN-Cu（乙腈）的荧光发射光谱图；（B） H2S滴定Mito-BPN-Cu（乙腈）的线性关系图；（C） H2S滴定 Mito-BPN-Cu（V（乙腈）∶V（水）=1∶1）的荧光发射光谱图；（D） H2S滴定Mito-BPN-Cu（V（乙腈）∶V（水）=1∶1）的线性关系图

Fig.5 （A） Fluorescence emission spectrum of H2S-titrated Mito-BPN-Cu （acetonitrile solvent）；（B） Linear plot of H2S-titrated Mito-BPN-Cu（acetonitrile solvent）；（C） Fluorescence emission spectra of H2S-titrated Mito-BPN-Cu （V（acetonitrile）∶V（water）=1∶1）；（D） H2S titration Mito-BPN-Cu （V（acetonitrile）∶V（water ）=1∶1） of the linear diagram

图6 探针Mito-BPN-Cu对HCT116的细胞毒性

Fig.6 The cytotoxicity of Mito-BPN-Cu against HCT116 cells

图7 探针Mito-BPN-Cu在HCT116细胞线粒体中的共定位荧光A. Ming field cell picture； B. Mito-BPN-Cu， red channel； C. Mito-tracker Green， Green channel； D. A-C overlay pictures； E. Normalized intensity profile at the dotted line （green and red lines represent green channel and red channel， respectively）

Fig.7 Probe Mito-BPN-Cu in HCT116 cell mitochondria in the positioning fluorescent

图8 探针Mito-BPN-Cu对H2S的细胞成像

Fig.8 Cell imaging of H2S by probe Mito-BPN-Cu

参考文献 26

1	AROCA A， GOTOR C， BASSHAM C D， et al. Hydrogen sulfide： from a toxic molecule to a key molecule of cell life［J］. Antioxidants， 2020， 9（7）： 621.
2	SHIBVYA N， KOIKE S， TANAKA M， et al. A novel pathway for the production of hydrogen sulfide from D-cysteine in mammalian cells［J］. Nat Commun， 2013， 4： 1366.
3	常贵全，武韧，李鸿珠. 硫化氢在糖尿病血管内皮细胞功能障碍中的作用及机制［J］. 中国生物化学与分子生物学报， 2020， 36（11）： 1281-1287.
	CHANG G Q， WU R， LI H Z. The roles and mechanisms of hydrogen sulfide in the pathogenesis of diabetic vascular endothelial dysfunction［J］. Chin J Biochem Mol Biol， 2020， 36（11）： 1281-1287.
4	OU Q， QIAO X， LI Z， et al. Apoptosis releases hydrogen sulfide to inhibit Th17 cell differentiation［J］. Cell Metab， 2024， 36（1）： 78-89.
5	LIN H， YU Y， ZHU L， et al. Implications of hydrogen sulfide in colorectal cancer： mechanistic insights and diagnostic and therapeutic strategies［J］. Redox Biol， 2023， 59： 102601.
6	HERRALD A L， AMBROGI E K， MIRICA K A. Electrochemical detection of gasotransmitters： status and roadmap［J］. ACS Sens， 2024， 9（4）： 1682-1705.
7	ZHAO Y， YANG Y， CUI L， et al. Electroactive Au@Ag nanoparticles driven electrochemical sensor for endogenous H₂S detection［J］. Biosens Bioelectron， 2018， 117： 53-59.
8	SLOWINSKI D， SWIERCZYNSKA M， GRZELAKOWSKA A， et al. Hymecromone naphthoquinone ethers as probes for hydrogen sulfide detection［J］. Dye Pigm， 2021， 196： 109765.
9	RANJANA M， RASHMI M K， DHANYA S. Small molecule optical probes for detection of H₂S in water samples： a review［J］. ACS Omega， 2024， 9（13）： 14672-14691.
10	THOMPSON R， PERRY J D， STANFORTH S P， et al. Rapid detection of hydrogen sulfide produced by pathogenic bacteria in focused growth media using SHS-MCC-GC-IMS［J］. Microchem J， 2018， 140： 232-240.
11	KAYLIN G F， MICHAEL D P. Activity-based fluorescent probes for hydrogen sulfide and related reactive sulfur species［J］. Chem Rev， 2024， 124（7）： 4124-4257.
12	CHEN Y， BAO J， PAN X， et al. A near-infrared fluorescent probe with large stokes shift for sensitive detection of hydrogen sulfide in environmental water， food spoilage， and biological systems［J］. J Phys Chem B， 2024， 128（24）： 5846-5854.
13	SHARMA A， VERWILST P， LI M， et al. Theranostic fluorescent probes［J］. Chem Rev， 2024， 124（5）： 2699-2804.
14	张成路，王一鸣，任芷漩，等. 以苯并咪唑萘酰亚胺为荧光团高选择快速检测H₂S的荧光探针［J］. 应用化学， 2022， 39（3）： 489-497.
	ZHANG C L， WANG Y M， REN Z X， et al. Fluorescent probe for rapid detection of H₂S with benzimidazole naphthalimide as the core［J］. Chin J Appl Chem， 2022， 39（3）： 489-497.
15	刘琳，陈琳，胡晓玲，等. 基于苯并吡喃点亮型硫化氢荧光探针在食品检测中的应用与细胞成像［J］. 有机化学， 2024， 44（6）： 2027-2032.
	LIU L， CHEN L， HU X L， et al. Application and cell imaging of turn-on fluorescent probe for hydrogen sulfide based on benzopyran in food samples［J］. Chin J Org Chem， 2024， 44（6）： 2027-2032.
16	JI A， FAN Y， REN W， et al. A sensitive near-infrared fluorescent sensor for mitochondrial hydrogen sulfide［J］. ACS Sens， 2018， 3（5）： 992-997.
17	ZHANG J， MU S， WANG Y， et al. A water-soluble near-infrared fluorescent probe for monitoringchange of hydrogen sulfide during cell damage and repair process［J］. Anal Chim Acta， 2022， 1195： 339457.
18	YAN L， GU Q S， JIANG W L， et al. Near-infrared fluorescent probe with large stokes shift for imaging of hydrogen sulfide in tumor-bearing mice［J］. Anal Chem， 2022， 94（14）： 5514-5520.
19	杨雅馨，陈琳，胡晓玲，等. 一种点亮型硫化氢荧光探针的合成及其在红酒和细胞中的应用［J］. 有机化学， 2023， 43（1）： 308-312.
	YANG Y X， CHEN L， HU X L， et al. Synthesis of a turn-on fluorescent probe for hydrogen sulfide and its application in red wine and living cells［J］. Chin J Org Chem， 2023， 43（1）： 308-312.
20	JU Z， ZHANG Y， KONG L. A highly selective fluorescent probe for hydrogen sulfide and its application in living cell［J］. J Fluoresc， 2024. https：//doi.org/10.1007/s10895-024-03601-3.
21	尹正日. 一种可再生高选择性的硫化氢荧光探针［J］. 应用化学， 2018， 35（12）： 1514-1520.
	YIN Z R. A renewable high selective fluorescent probe for hydrogen sulfide［J］. Chin J Appl Chem， 2018， 35（12）： 1514-1520.
22	FANG X， WANG S， WANG Q， et al. A highly selective and sensitive fluorescence probe based on bodipy-cyclen for hydrogen sulfide detection in living cells and serum［J］. Talanta， 2024， 268： 125339.
23	BHATTACHARYYA U， KUMAR B， GARAI A， et al. Curcumin “drug” stabilized in oxidovanadium（Ⅳ）-bodipy conjugates for mitochondria-targeted photocytotoxicity［J］. Inorg Chem， 2017， 56（20）： 12457-12468.
24	HE S J， XIE Y W， CHEN Q Y. A NIR-BODIPY derivative for sensing copper（Ⅱ） in blood and mitochondrial imaging［J］. Spectrochim Acta A， 2018， 195： 210-214.
25	李迎运. 新型近红外荧光分子探针的设计合成及其在细胞成像中的应用［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2017.
	LI Y Y. Design and synthesis of a novel near-infrared fluorescent molecular probe and its application in cell imaging［D］. Hefei： University of Science and Technology of China， 2017.
26	邵鑫翔，周炜骅，邹佳欣，等. 香豆素型离子液体探针制备及荧光检测Fe³⁺性能［J］. 精细化工， 1-10［2024-09-30］.
	SHAO X X， ZHOU W H， ZOU J X， et al. Preparation of coumarin ionic liquid probe and performance of fluorescence detection of Fe³⁺［J］. Fine Chem， 1-10［2024-09-30］.

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[1]	杨懿芊, 严晓霞, 彭皓, 吴爱国, 杨方. 近红外二区光驱动的光动力治疗在克服肿瘤乏氧环境中的研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(7): 925-936.
[2]	卢紫微, 刘永福, 罗朝华, 孙鹏, 蒋俊. Cr³⁺掺杂的宽带近红外荧光粉研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(3): 328-339.
[3]	铁德金, 许美佳, 唐晓丹, 贾宏敏, 于洪梅. 一种可用于检测pH和H₂O的双比率荧光探针[J]. 应用化学, 2024, 41(10): 1491-1501.
[4]	赵永梅, 程沛璇, 谢京娇, 罗稳. 基于激发态分子内质子转移机制的3-羟基黄酮探针用于检测生物硫醇[J]. 应用化学, 2024, 41(10): 1502-1510.
[5]	周学敏, 吕姝臻, 张国芳, 崔竹梅, 毕赛. 基于上转换信标探针构建信号放大近红外激发荧光生物传感器用于microRNA检测[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 137-146.
[6]	赵欣雨, 秦作佳, 张晓兵, 袁林. 近红外二区激活型小分子荧光探针研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 39-59.
[7]	于盼, 王光辉, 郭建花, 郭峤志, 董川. 黄色荧光碳点用于盐酸金霉素的检测[J]. 应用化学, 2023, 40(7): 1017-1023.
[8]	于红丽, 周思仪, 洪琛, 罗稳. 基于黄酮骨架的“关-开”型荧光探针用于检测活细胞内丁酰胆碱酯酶[J]. 应用化学, 2023, 40(4): 500-508.
[9]	耿佳美, 马素芳, 刘文, 刁海鹏, 武志芳, 李思进. 肝靶向荧光探针用于HepG2细胞中ONOO^-的特异性检测[J]. 应用化学, 2023, 40(3): 441-448.
[10]	李磊, 李莉, 马俊杰, 付居标, 蔡春生, 陈玫玲, 覃雪雁, 袁忠义, 陈义旺. 可溶液处理镓萘酞菁酰亚胺类电子受体材料合成与表征[J]. 应用化学, 2023, 40(11): 1531-1538.
[11]	周叶红, 张旭艺, 芦冬涛, 徐会文, 刘洋, 董川. 基于氮化碳量子点/罗丹明B系统检测汞离子的比率荧光探针[J]. 应用化学, 2023, 40(11): 1550-1557.
[12]	薛松松, 解正峰, 何佳伟, 张天怡, 夏保平, 李雨芹. 高选择性快速识别汞（Ⅱ）离子的磺酰腙型探针的合成及在吸附中的应用[J]. 应用化学, 2022, 39(5): 760-768.
[13]	张松涛, 王樱蕙, 张洪杰. Nd³⁺离子敏化的荧光纳米探针用于近红外二区血管成像[J]. 应用化学, 2022, 39(4): 685-693.
[14]	黄蕊, 叶长青, 李亚军, 邱盟峯, 李达谅, 鲍红丽. 线粒体靶向的近红外HClO/ClO^－荧光探针的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(3): 407-424.
[15]	张成路, 王一鸣, 任芷漩, 李露, 李雨晴, 宋府璐. 以苯并咪唑萘酰亚胺为荧光团高选择快速检测H₂S的荧光探针[J]. 应用化学, 2022, 39(3): 489-497.