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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   (618 HTML18 PDF (4850KB)(1164)  

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5 探针C3H对HClO的响应机制 64
正文中引用本图/表的段落
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。
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. ...

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. ...

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. ...

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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... 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. ...

本文主要从近红外荧光探针检测线粒体HClO/ClO-的反应类型进行了总结,毫无疑问,这些工作对于理解HClO/ClO-在生理和病理过程中的作用十分重要,对于荧光生物成像研究产生积极的推动作用.众所周知,线粒体基质内会产生强负膜电势,基于这一特点,综述中列举的10多种线粒体靶向荧光探针通过三苯基鏻鎓盐(TPP)、季铵盐或是亲脂性的阳离子基团定位线粒体,由于其各具优势.为了更加明晰探针技术的发展与成熟,为科研人员设计更多的新型探针提供思路,故而将文中提到的线粒体靶向近红外荧光探针列表( 表1 ).目前,在近红外HClO/ClO-探针和线粒体靶向能力等方面的研究均已取得了重大进展,但许多探针的开发仍面临着各种挑战,因为生物体内微环境对探针响应特性的影响不可忽视,设计与合成更灵敏、更有选择性、更低成本、更长发射波长、更实用的新型荧光探针用于体内传感和成像的荧光探针,有助于加速药物筛选、疾病诊断、癌症治疗的未来实际应用,对生物医学的发展具有重要意义. ...
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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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