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线粒体靶向的近红外HClO/ClO 荧光探针的研究进展
黄蕊, 叶长青, 李亚军, 邱盟峯, 李达谅, 鲍红丽
应用化学    2022, 39 (3): 407-424.   DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.210583
摘要   (617 HTML18 PDF (4850KB)(1162)  

HClO/ClO-作为细胞质中一种重要的活性氧(ROS),源自线粒体,参与各种生理和病理过程,因此快速有效检测HClO/ClO-具有重要的生物学及生理学意义。荧光分析法因其灵敏度高、响应时间快、选择性高、成本低和操作简便等优点而备受关注。更重要的是,使用荧光探针可以在体外和体内可视化检测。近年来,为了研究HClO/ClO-在细胞中的作用,已发展了一些靶向线粒体的荧光HClO/ClO-探针。其中,发射波长位于短波区域的探针存在背景荧光强、组织穿透性差等不足,因此,开发具有远红外至近红外发射的HClO/ClO-探针具有重要意义。本文围绕用于检测HClO/ClO-的线粒体靶向近红外荧光探针的最新动态展开讨论,将探针检测HClO/ClO-的反应类型分为不饱和双键的氧化、硫醚的氧化、氨基或酰肼的氧化和多位点的氧化等几个类别进行了归纳总结,希望为新一代高效灵敏、生物兼容性好的靶向性HClO/ClO-荧光探针的发展提供一定的帮助。

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图4 HClO存在下探针NSSN的反应机制 59
正文中引用本图/表的段落
2019年,殷彩霞课题组对检测内源性或外源性HClO/ClO-比率型荧光探针展开了探究。为进一步实现线粒体内的HClO可视化检测[57-58]。2020年,阴彩霞课题组基于激发态分子内质子转移(ESIPT)的反应机制,设计合成了一种线粒体靶向的近红外“双模式”荧光探针 NSSN[59]。通过对酚羟基邻位的醛基和2-甲基苯并噻唑鎓盐构建碳碳双键,进一步延长共轭,从而使探针荧光发射向近红外区移动,在670 nm( Φ=0.047)处显示出最强荧光发射(图3)。由于HClO的氧化性质,随着HClO(0~30 μmol/L)的加入,探针的碳碳双键被破坏,导致荧光光谱发生变化,670 nm处的发射峰逐渐减小,540 nm处的发射峰逐渐增大(图4)。 NSSN探针具有良好的选择性、较大的斯托克斯位移(220 nm)和低的检测限(0.13 μmol/L),可以作为比率型近红外荧光探针检测低浓度HClO。在HClO浓度达到30 μmol/L以上时,540 nm处的发射峰出现红移,并在552 nm处逐渐增加( Φ=0.049),这实现了对高浓度HClO的“turn-on”式检测。当HClO浓度为120 μmol/L时,荧光强度逐渐增强,可在5 min内达到平稳。此外, NSSN作为一种近红外荧光探针,具有大斯托克斯位移、低信噪比和更深的组织穿透能力,可以在HeLa细胞中实现HClO的线粒体靶向检测,也可以在裸鼠中可视化检测HClO,有望被用于慢性肝病的早期诊断。2021年,殷彩霞课题组[60]同样利用苯并噻唑化合物的ESIPT反应机制来扩展共轭体系,设计出具有大斯托克斯位移的比色型荧光探针来检测HClO,有助于了解HClO在氧化应激中的生理功能及其免疫作用。同年,殷彩霞课题组[61]进一步发展了线粒体靶向荧光探针,具有超快响应(5 s)和高选择性,成功应用于斑马鱼和裸鼠中的HClO可视化检测。
2019年,殷彩霞课题组对检测内源性或外源性HClO/ClO-比率型荧光探针展开了探究.为进一步实现线粒体内的HClO可视化检测[ 57 - 58 ].2020年,阴彩霞课题组基于激发态分子内质子转移(ESIPT)的反应机制,设计合成了一种线粒体靶向的近红外“双模式”荧光探针 NSSN 59 ].通过对酚羟基邻位的醛基和2-甲基苯并噻唑鎓盐构建碳碳双键,进一步延长共轭,从而使探针荧光发射向近红外区移动,在670 nm( Φ=0.047)处显示出最强荧光发射( 图3 ).由于HClO的氧化性质,随着HClO(0~30 μmol/L)的加入,探针的碳碳双键被破坏,导致荧光光谱发生变化,670 nm处的发射峰逐渐减小,540 nm处的发射峰逐渐增大( 图4 ). NSSN探针具有良好的选择性、较大的斯托克斯位移(220 nm)和低的检测限(0.13 μmol/L),可以作为比率型近红外荧光探针检测低浓度HClO.在HClO浓度达到30 μmol/L以上时,540 nm处的发射峰出现红移,并在552 nm处逐渐增加( Φ=0.049),这实现了对高浓度HClO的“turn-on”式检测.当HClO浓度为120 μmol/L时,荧光强度逐渐增强,可在5 min内达到平稳.此外, NSSN作为一种近红外荧光探针,具有大斯托克斯位移、低信噪比和更深的组织穿透能力,可以在HeLa细胞中实现HClO的线粒体靶向检测,也可以在裸鼠中可视化检测HClO,有望被用于慢性肝病的早期诊断.2021年,殷彩霞课题组[ 60 ]同样利用苯并噻唑化合物的ESIPT反应机制来扩展共轭体系,设计出具有大斯托克斯位移的比色型荧光探针来检测HClO,有助于了解HClO在氧化应激中的生理功能及其免疫作用.同年,殷彩霞课题组[ 61 ]进一步发展了线粒体靶向荧光探针,具有超快响应(5 s)和高选择性,成功应用于斑马鱼和裸鼠中的HClO可视化检测. ...
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... 但是,科研人员并不满足只在细胞中实现对HClO/ClO-的检测,随着生物成像技术的进一步发展,2020年,张彤课题组[ 54 ]合成了一种在香豆素-半菁骨架上吲哚鎓部分被羟基取代的探针,这种探针不仅有香豆素-半菁骨架优秀的水溶性和较大的斯托克斯位移,还对ClO-有很好的选择性[ 55 - 56 ]( 图2 ),是首次探究在检测HClO的香豆素-半菁骨架上引入给电子基团对选择性和光学性能的影响.探针在650 nm处具有较高的荧光强度,当ClO-破坏了探针的大共轭结构时,立即观察到比色和比率的色谱实验现象,650 nm处的荧光消失,500 nm处出现新的荧光信号,探针对ClO-的检测限为49.1 nmol/L,在pH值5~8范围内表现良好,响应时间为2 min.探针可对RAW264.7细胞(小鼠单核巨噬细胞白血病细胞)中的内源性HClO进行成像和检测,在HepG2细胞(人肝癌细胞)中与线粒体绿色荧光探针进行了共定位实验,结果显示探针在线粒体中特异性染色,皮尔森系数为0.857.随后,利用羟基取代的香豆素-半菁探针开展了斑马鱼和关节炎的小鼠模型的荧光成像研究.仅带有探针的斑马鱼样本在红色通道显示出强烈的红色荧光,在加入ClO-或用脂多糖(LPS)诱导炎症产生内源性ClO-后,红色荧光减弱,蓝色荧光增强,实现了斑马鱼的内源性和外源性的ClO-的检测.此外,探针可在小鼠体内与外源性HClO快速反应,荧光强度与HClO的浓度呈线性关系( R2=0.9393),通过注射 λ-卡拉胶和脂多糖引起关节炎的区域荧光减弱,未来有助于进一步诊断体内相关疾病. ...
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... 但是,科研人员并不满足只在细胞中实现对HClO/ClO-的检测,随着生物成像技术的进一步发展,2020年,张彤课题组[ 54 ]合成了一种在香豆素-半菁骨架上吲哚鎓部分被羟基取代的探针,这种探针不仅有香豆素-半菁骨架优秀的水溶性和较大的斯托克斯位移,还对ClO-有很好的选择性[ 55 - 56 ]( 图2 ),是首次探究在检测HClO的香豆素-半菁骨架上引入给电子基团对选择性和光学性能的影响.探针在650 nm处具有较高的荧光强度,当ClO-破坏了探针的大共轭结构时,立即观察到比色和比率的色谱实验现象,650 nm处的荧光消失,500 nm处出现新的荧光信号,探针对ClO-的检测限为49.1 nmol/L,在pH值5~8范围内表现良好,响应时间为2 min.探针可对RAW264.7细胞(小鼠单核巨噬细胞白血病细胞)中的内源性HClO进行成像和检测,在HepG2细胞(人肝癌细胞)中与线粒体绿色荧光探针进行了共定位实验,结果显示探针在线粒体中特异性染色,皮尔森系数为0.857.随后,利用羟基取代的香豆素-半菁探针开展了斑马鱼和关节炎的小鼠模型的荧光成像研究.仅带有探针的斑马鱼样本在红色通道显示出强烈的红色荧光,在加入ClO-或用脂多糖(LPS)诱导炎症产生内源性ClO-后,红色荧光减弱,蓝色荧光增强,实现了斑马鱼的内源性和外源性的ClO-的检测.此外,探针可在小鼠体内与外源性HClO快速反应,荧光强度与HClO的浓度呈线性关系( R2=0.9393),通过注射 λ-卡拉胶和脂多糖引起关节炎的区域荧光减弱,未来有助于进一步诊断体内相关疾病. ...
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... 2019年,殷彩霞课题组对检测内源性或外源性HClO/ClO-比率型荧光探针展开了探究.为进一步实现线粒体内的HClO可视化检测[ 57 - 58 ].2020年,阴彩霞课题组基于激发态分子内质子转移(ESIPT)的反应机制,设计合成了一种线粒体靶向的近红外“双模式”荧光探针 NSSN 59 ].通过对酚羟基邻位的醛基和2-甲基苯并噻唑鎓盐构建碳碳双键,进一步延长共轭,从而使探针荧光发射向近红外区移动,在670 nm( Φ=0.047)处显示出最强荧光发射( 图3 ).由于HClO的氧化性质,随着HClO(0~30 μmol/L)的加入,探针的碳碳双键被破坏,导致荧光光谱发生变化,670 nm处的发射峰逐渐减小,540 nm处的发射峰逐渐增大( 图4 ). NSSN探针具有良好的选择性、较大的斯托克斯位移(220 nm)和低的检测限(0.13 μmol/L),可以作为比率型近红外荧光探针检测低浓度HClO.在HClO浓度达到30 μmol/L以上时,540 nm处的发射峰出现红移,并在552 nm处逐渐增加( Φ=0.049),这实现了对高浓度HClO的“turn-on”式检测.当HClO浓度为120 μmol/L时,荧光强度逐渐增强,可在5 min内达到平稳.此外, NSSN作为一种近红外荧光探针,具有大斯托克斯位移、低信噪比和更深的组织穿透能力,可以在HeLa细胞中实现HClO的线粒体靶向检测,也可以在裸鼠中可视化检测HClO,有望被用于慢性肝病的早期诊断.2021年,殷彩霞课题组[ 60 ]同样利用苯并噻唑化合物的ESIPT反应机制来扩展共轭体系,设计出具有大斯托克斯位移的比色型荧光探针来检测HClO,有助于了解HClO在氧化应激中的生理功能及其免疫作用.同年,殷彩霞课题组[ 61 ]进一步发展了线粒体靶向荧光探针,具有超快响应(5 s)和高选择性,成功应用于斑马鱼和裸鼠中的HClO可视化检测. ...
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... 2019年,殷彩霞课题组对检测内源性或外源性HClO/ClO-比率型荧光探针展开了探究.为进一步实现线粒体内的HClO可视化检测[ 57 - 58 ].2020年,阴彩霞课题组基于激发态分子内质子转移(ESIPT)的反应机制,设计合成了一种线粒体靶向的近红外“双模式”荧光探针 NSSN 59 ].通过对酚羟基邻位的醛基和2-甲基苯并噻唑鎓盐构建碳碳双键,进一步延长共轭,从而使探针荧光发射向近红外区移动,在670 nm( Φ=0.047)处显示出最强荧光发射( 图3 ).由于HClO的氧化性质,随着HClO(0~30 μmol/L)的加入,探针的碳碳双键被破坏,导致荧光光谱发生变化,670 nm处的发射峰逐渐减小,540 nm处的发射峰逐渐增大( 图4 ). NSSN探针具有良好的选择性、较大的斯托克斯位移(220 nm)和低的检测限(0.13 μmol/L),可以作为比率型近红外荧光探针检测低浓度HClO.在HClO浓度达到30 μmol/L以上时,540 nm处的发射峰出现红移,并在552 nm处逐渐增加( Φ=0.049),这实现了对高浓度HClO的“turn-on”式检测.当HClO浓度为120 μmol/L时,荧光强度逐渐增强,可在5 min内达到平稳.此外, NSSN作为一种近红外荧光探针,具有大斯托克斯位移、低信噪比和更深的组织穿透能力,可以在HeLa细胞中实现HClO的线粒体靶向检测,也可以在裸鼠中可视化检测HClO,有望被用于慢性肝病的早期诊断.2021年,殷彩霞课题组[ 60 ]同样利用苯并噻唑化合物的ESIPT反应机制来扩展共轭体系,设计出具有大斯托克斯位移的比色型荧光探针来检测HClO,有助于了解HClO在氧化应激中的生理功能及其免疫作用.同年,殷彩霞课题组[ 61 ]进一步发展了线粒体靶向荧光探针,具有超快响应(5 s)和高选择性,成功应用于斑马鱼和裸鼠中的HClO可视化检测. ...
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... 2019年,殷彩霞课题组对检测内源性或外源性HClO/ClO-比率型荧光探针展开了探究.为进一步实现线粒体内的HClO可视化检测[ 57 - 58 ].2020年,阴彩霞课题组基于激发态分子内质子转移(ESIPT)的反应机制,设计合成了一种线粒体靶向的近红外“双模式”荧光探针 NSSN 59 ].通过对酚羟基邻位的醛基和2-甲基苯并噻唑鎓盐构建碳碳双键,进一步延长共轭,从而使探针荧光发射向近红外区移动,在670 nm( Φ=0.047)处显示出最强荧光发射( 图3 ).由于HClO的氧化性质,随着HClO(0~30 μmol/L)的加入,探针的碳碳双键被破坏,导致荧光光谱发生变化,670 nm处的发射峰逐渐减小,540 nm处的发射峰逐渐增大( 图4 ). NSSN探针具有良好的选择性、较大的斯托克斯位移(220 nm)和低的检测限(0.13 μmol/L),可以作为比率型近红外荧光探针检测低浓度HClO.在HClO浓度达到30 μmol/L以上时,540 nm处的发射峰出现红移,并在552 nm处逐渐增加( Φ=0.049),这实现了对高浓度HClO的“turn-on”式检测.当HClO浓度为120 μmol/L时,荧光强度逐渐增强,可在5 min内达到平稳.此外, NSSN作为一种近红外荧光探针,具有大斯托克斯位移、低信噪比和更深的组织穿透能力,可以在HeLa细胞中实现HClO的线粒体靶向检测,也可以在裸鼠中可视化检测HClO,有望被用于慢性肝病的早期诊断.2021年,殷彩霞课题组[ 60 ]同样利用苯并噻唑化合物的ESIPT反应机制来扩展共轭体系,设计出具有大斯托克斯位移的比色型荧光探针来检测HClO,有助于了解HClO在氧化应激中的生理功能及其免疫作用.同年,殷彩霞课题组[ 61 ]进一步发展了线粒体靶向荧光探针,具有超快响应(5 s)和高选择性,成功应用于斑马鱼和裸鼠中的HClO可视化检测. ...

2021年,姚成课题组[ 62 - 64 ]以花青素为前体,合成了一种新型的近红外比率型探针 C3H,其具有复杂的共轭系统和高的摩尔吸光系数,这种探针在480和750 nm显示了2个发射峰,相互之间无干扰,这有助于提高生物成像的灵敏度和分辨率( 图5 ).当在滴定实验中加入ClO-后,750 nm处的发射峰逐渐降低,而480 nm处出现新的发射峰并明显升高,红色荧光探针 C3H双键被氧化断裂,产生蓝色荧光物质,荧光强度比( F 480/ F 750)从0.15增加到52.25,增强了348倍.这说明探针灵敏度高,并且探针 C3H还能在10 s内快速响应,最低检测限约22.6 nmol/L,具有高选择性和抗干扰性.此外,探针 C3H可特异性在线粒体中积累,皮尔森系数为0.90,在HepG2细胞中作为比率探针检测内源性和外源性ClO-.并且能够用于监测小鼠异种移植肿瘤模型中的HClO,加入10倍化学计量的ClO-,荧光逐渐增强,在裸鼠体内对HClO进行生物成像,使其有能力进一步探索HClO的生理和病理作用. ...
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... 2019年,殷彩霞课题组对检测内源性或外源性HClO/ClO-比率型荧光探针展开了探究.为进一步实现线粒体内的HClO可视化检测[ 57 - 58 ].2020年,阴彩霞课题组基于激发态分子内质子转移(ESIPT)的反应机制,设计合成了一种线粒体靶向的近红外“双模式”荧光探针 NSSN 59 ].通过对酚羟基邻位的醛基和2-甲基苯并噻唑鎓盐构建碳碳双键,进一步延长共轭,从而使探针荧光发射向近红外区移动,在670 nm( Φ=0.047)处显示出最强荧光发射( 图3 ).由于HClO的氧化性质,随着HClO(0~30 μmol/L)的加入,探针的碳碳双键被破坏,导致荧光光谱发生变化,670 nm处的发射峰逐渐减小,540 nm处的发射峰逐渐增大( 图4 ). NSSN探针具有良好的选择性、较大的斯托克斯位移(220 nm)和低的检测限(0.13 μmol/L),可以作为比率型近红外荧光探针检测低浓度HClO.在HClO浓度达到30 μmol/L以上时,540 nm处的发射峰出现红移,并在552 nm处逐渐增加( Φ=0.049),这实现了对高浓度HClO的“turn-on”式检测.当HClO浓度为120 μmol/L时,荧光强度逐渐增强,可在5 min内达到平稳.此外, NSSN作为一种近红外荧光探针,具有大斯托克斯位移、低信噪比和更深的组织穿透能力,可以在HeLa细胞中实现HClO的线粒体靶向检测,也可以在裸鼠中可视化检测HClO,有望被用于慢性肝病的早期诊断.2021年,殷彩霞课题组[ 60 ]同样利用苯并噻唑化合物的ESIPT反应机制来扩展共轭体系,设计出具有大斯托克斯位移的比色型荧光探针来检测HClO,有助于了解HClO在氧化应激中的生理功能及其免疫作用.同年,殷彩霞课题组[ 61 ]进一步发展了线粒体靶向荧光探针,具有超快响应(5 s)和高选择性,成功应用于斑马鱼和裸鼠中的HClO可视化检测. ...
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... 2021年,姚成课题组[ 62 - 64 ]以花青素为前体,合成了一种新型的近红外比率型探针 C3H,其具有复杂的共轭系统和高的摩尔吸光系数,这种探针在480和750 nm显示了2个发射峰,相互之间无干扰,这有助于提高生物成像的灵敏度和分辨率( 图5 ).当在滴定实验中加入ClO-后,750 nm处的发射峰逐渐降低,而480 nm处出现新的发射峰并明显升高,红色荧光探针 C3H双键被氧化断裂,产生蓝色荧光物质,荧光强度比( F 480/ F 750)从0.15增加到52.25,增强了348倍.这说明探针灵敏度高,并且探针 C3H还能在10 s内快速响应,最低检测限约22.6 nmol/L,具有高选择性和抗干扰性.此外,探针 C3H可特异性在线粒体中积累,皮尔森系数为0.90,在HepG2细胞中作为比率探针检测内源性和外源性ClO-.并且能够用于监测小鼠异种移植肿瘤模型中的HClO,加入10倍化学计量的ClO-,荧光逐渐增强,在裸鼠体内对HClO进行生物成像,使其有能力进一步探索HClO的生理和病理作用. ...

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