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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16 探针P?HClO?SO2 的合成方法 48
正文中引用本图/表的段落
2021年,林伟英课题组[96]设计了一种基于聚硅氧烷的新型线粒体靶向可逆荧光探针 P?HClO?SO2,分别用于检测细胞内和体内SO 2以及HClO之间的氧化还原过程。通过聚巯基丙基硅氧烷(PMMS)和Cy-7-Cl之间的SN 2取代反应简单合成,产率为62%(图16)。探针在670 nm处显示出稳定的发射波长,当硫醚和碳碳双键被氧化后,电子重新排列,氧化过程破坏了先前的共轭结构,因此与HClO反应后荧光减弱(图17)。利用SO 2清除体内相关活性氧的能力,抵消了HClO引起的氧化应激,通过可逆反应研究了探针对SO 2的可逆能力,当NaHSO 3处理后,荧光强度随处理时间的延长而显著增强,探针的荧光可以在120 s内恢复,对SO 2具有很高的灵敏度。探针分别在HeLa细胞,4T1细胞(小鼠乳腺癌细胞)和Raw 264.7细胞(小鼠单核巨噬细胞白血病细胞)中进行了毒性测试,30 μmol/L的探针 P?HClO?SO2,对多种细胞无明显的细胞毒性,细胞存活率接近90%。在HeLa细胞中的共定位实验显示探针具有线粒体靶向性,重叠系数为0.96。在HeLa细胞中的内源性实验证明了探针 P?HClO?SO2 在细胞环境中对SO 2/HClO氧化还原循环过程的响应,探针表现出高度的敏感性。探针 P?HClO?SO2 还可以进一步高灵敏地检测斑马鱼和小鼠体内的氧化还原过程,有助于将应用扩展到生物领域,设计出更多检测氧化还原循环的近红外荧光探针。
2021年,林伟英课题组[ 96 ]设计了一种基于聚硅氧烷的新型线粒体靶向可逆荧光探针 P?HClO?SO2,分别用于检测细胞内和体内SO 2以及HClO之间的氧化还原过程.通过聚巯基丙基硅氧烷(PMMS)和Cy-7-Cl之间的SN 2取代反应简单合成,产率为62%( 图16 ).探针在670 nm处显示出稳定的发射波长,当硫醚和碳碳双键被氧化后,电子重新排列,氧化过程破坏了先前的共轭结构,因此与HClO反应后荧光减弱( 图17 ).利用SO 2清除体内相关活性氧的能力,抵消了HClO引起的氧化应激,通过可逆反应研究了探针对SO 2的可逆能力,当NaHSO 3处理后,荧光强度随处理时间的延长而显著增强,探针的荧光可以在120 s内恢复,对SO 2具有很高的灵敏度.探针分别在HeLa细胞,4T1细胞(小鼠乳腺癌细胞)和Raw 264.7细胞(小鼠单核巨噬细胞白血病细胞)中进行了毒性测试,30 μmol/L的探针 P?HClO?SO2,对多种细胞无明显的细胞毒性,细胞存活率接近90%.在HeLa细胞中的共定位实验显示探针具有线粒体靶向性,重叠系数为0.96.在HeLa细胞中的内源性实验证明了探针 P?HClO?SO2 在细胞环境中对SO 2/HClO氧化还原循环过程的响应,探针表现出高度的敏感性.探针 P?HClO?SO2 还可以进一步高灵敏地检测斑马鱼和小鼠体内的氧化还原过程,有助于将应用扩展到生物领域,设计出更多检测氧化还原循环的近红外荧光探针. ...
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... 2020年,易涛课题组设计合成了一种包含2个近红外发色团的荧光探针 Cy7?Nil 86 ],尼罗红作为稳定的发色团具有大的刚性平面结构、大的 π共轭骨架以及双光子激发近红外发射活性( 图15 )[ 87 - 90 ]. Cy7则作为HClO/ClO-的识别部分,具有良好的光物理特性,即更长的近红外发射波长、高摩尔吸收效率和荧光量子产率[ 91 - 94 ].该探针具有3个发射信号(560、650和780 nm),是首个实现了双通道( I 650/ I 560I 650/ I 780)和活体动物内对HClO/ClO-的比率检测.在PBS缓冲溶液中加入HClO/ClO-,探针的Cy7共轭结构被破坏,并且随着HClO/ClO-浓度的变化可观察到不同波长的荧光强度变化.当HClO/ClO-浓度小于20 μmol/L时,3个发射信号的荧光强度均有不同程度的减弱,780 nm处的荧光被猝灭98.5%;当HClO/ClO-浓度大于20 μmol/L时,560 nm处的荧光强度大幅减弱,同时650 nm产生大约10倍的荧光增强,因此荧光强度的比率变化被用于实现HClO/ClO-浓度的精确定量.当使用100 μmol/L HClO/ClO-时,根据( I 650/ I 780)的比率荧光变化,可观察到最大约120倍的增强.此外,共定位实验表明,探针 Cy7?Nil主要位于线粒体中,可检测HeLa细胞中的外源性HClO/ClO-和RAW264.7细胞中的内源性HClO/ClO-.探针 Cy7?Nil还能进一步在组织和体内成像中表现出更好的性能,在小鼠肝组织切片中最大穿透深度约为400 μm,并且可通过近红外发射信号( I 650/ I 780)和近红外比率检测方式( I 650/ I 780)实现小鼠后肢关节炎模型上内源性HClO/ClO-的检测.同年,易涛课题组[ 95 ]设计合成了一种可激活的探针,通过双模态成像检测HClO,首次发现了药物诱导急性肾损伤(AKI)细胞凋亡过程中的HClO的存在,在肾损伤疾病的监测和临床研究的药物筛选方面有巨大的潜力. ...
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... 2020年,易涛课题组设计合成了一种包含2个近红外发色团的荧光探针 Cy7?Nil 86 ],尼罗红作为稳定的发色团具有大的刚性平面结构、大的 π共轭骨架以及双光子激发近红外发射活性( 图15 )[ 87 - 90 ]. Cy7则作为HClO/ClO-的识别部分,具有良好的光物理特性,即更长的近红外发射波长、高摩尔吸收效率和荧光量子产率[ 91 - 94 ].该探针具有3个发射信号(560、650和780 nm),是首个实现了双通道( I 650/ I 560I 650/ I 780)和活体动物内对HClO/ClO-的比率检测.在PBS缓冲溶液中加入HClO/ClO-,探针的Cy7共轭结构被破坏,并且随着HClO/ClO-浓度的变化可观察到不同波长的荧光强度变化.当HClO/ClO-浓度小于20 μmol/L时,3个发射信号的荧光强度均有不同程度的减弱,780 nm处的荧光被猝灭98.5%;当HClO/ClO-浓度大于20 μmol/L时,560 nm处的荧光强度大幅减弱,同时650 nm产生大约10倍的荧光增强,因此荧光强度的比率变化被用于实现HClO/ClO-浓度的精确定量.当使用100 μmol/L HClO/ClO-时,根据( I 650/ I 780)的比率荧光变化,可观察到最大约120倍的增强.此外,共定位实验表明,探针 Cy7?Nil主要位于线粒体中,可检测HeLa细胞中的外源性HClO/ClO-和RAW264.7细胞中的内源性HClO/ClO-.探针 Cy7?Nil还能进一步在组织和体内成像中表现出更好的性能,在小鼠肝组织切片中最大穿透深度约为400 μm,并且可通过近红外发射信号( I 650/ I 780)和近红外比率检测方式( I 650/ I 780)实现小鼠后肢关节炎模型上内源性HClO/ClO-的检测.同年,易涛课题组[ 95 ]设计合成了一种可激活的探针,通过双模态成像检测HClO,首次发现了药物诱导急性肾损伤(AKI)细胞凋亡过程中的HClO的存在,在肾损伤疾病的监测和临床研究的药物筛选方面有巨大的潜力. ...
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... 2020年,易涛课题组设计合成了一种包含2个近红外发色团的荧光探针 Cy7?Nil 86 ],尼罗红作为稳定的发色团具有大的刚性平面结构、大的 π共轭骨架以及双光子激发近红外发射活性( 图15 )[ 87 - 90 ]. Cy7则作为HClO/ClO-的识别部分,具有良好的光物理特性,即更长的近红外发射波长、高摩尔吸收效率和荧光量子产率[ 91 - 94 ].该探针具有3个发射信号(560、650和780 nm),是首个实现了双通道( I 650/ I 560I 650/ I 780)和活体动物内对HClO/ClO-的比率检测.在PBS缓冲溶液中加入HClO/ClO-,探针的Cy7共轭结构被破坏,并且随着HClO/ClO-浓度的变化可观察到不同波长的荧光强度变化.当HClO/ClO-浓度小于20 μmol/L时,3个发射信号的荧光强度均有不同程度的减弱,780 nm处的荧光被猝灭98.5%;当HClO/ClO-浓度大于20 μmol/L时,560 nm处的荧光强度大幅减弱,同时650 nm产生大约10倍的荧光增强,因此荧光强度的比率变化被用于实现HClO/ClO-浓度的精确定量.当使用100 μmol/L HClO/ClO-时,根据( I 650/ I 780)的比率荧光变化,可观察到最大约120倍的增强.此外,共定位实验表明,探针 Cy7?Nil主要位于线粒体中,可检测HeLa细胞中的外源性HClO/ClO-和RAW264.7细胞中的内源性HClO/ClO-.探针 Cy7?Nil还能进一步在组织和体内成像中表现出更好的性能,在小鼠肝组织切片中最大穿透深度约为400 μm,并且可通过近红外发射信号( I 650/ I 780)和近红外比率检测方式( I 650/ I 780)实现小鼠后肢关节炎模型上内源性HClO/ClO-的检测.同年,易涛课题组[ 95 ]设计合成了一种可激活的探针,通过双模态成像检测HClO,首次发现了药物诱导急性肾损伤(AKI)细胞凋亡过程中的HClO的存在,在肾损伤疾病的监测和临床研究的药物筛选方面有巨大的潜力. ...
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... 2020年,易涛课题组设计合成了一种包含2个近红外发色团的荧光探针 Cy7?Nil 86 ],尼罗红作为稳定的发色团具有大的刚性平面结构、大的 π共轭骨架以及双光子激发近红外发射活性( 图15 )[ 87 - 90 ]. Cy7则作为HClO/ClO-的识别部分,具有良好的光物理特性,即更长的近红外发射波长、高摩尔吸收效率和荧光量子产率[ 91 - 94 ].该探针具有3个发射信号(560、650和780 nm),是首个实现了双通道( I 650/ I 560I 650/ I 780)和活体动物内对HClO/ClO-的比率检测.在PBS缓冲溶液中加入HClO/ClO-,探针的Cy7共轭结构被破坏,并且随着HClO/ClO-浓度的变化可观察到不同波长的荧光强度变化.当HClO/ClO-浓度小于20 μmol/L时,3个发射信号的荧光强度均有不同程度的减弱,780 nm处的荧光被猝灭98.5%;当HClO/ClO-浓度大于20 μmol/L时,560 nm处的荧光强度大幅减弱,同时650 nm产生大约10倍的荧光增强,因此荧光强度的比率变化被用于实现HClO/ClO-浓度的精确定量.当使用100 μmol/L HClO/ClO-时,根据( I 650/ I 780)的比率荧光变化,可观察到最大约120倍的增强.此外,共定位实验表明,探针 Cy7?Nil主要位于线粒体中,可检测HeLa细胞中的外源性HClO/ClO-和RAW264.7细胞中的内源性HClO/ClO-.探针 Cy7?Nil还能进一步在组织和体内成像中表现出更好的性能,在小鼠肝组织切片中最大穿透深度约为400 μm,并且可通过近红外发射信号( I 650/ I 780)和近红外比率检测方式( I 650/ I 780)实现小鼠后肢关节炎模型上内源性HClO/ClO-的检测.同年,易涛课题组[ 95 ]设计合成了一种可激活的探针,通过双模态成像检测HClO,首次发现了药物诱导急性肾损伤(AKI)细胞凋亡过程中的HClO的存在,在肾损伤疾病的监测和临床研究的药物筛选方面有巨大的潜力. ...
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... 2021年,林伟英课题组[ 96 ]设计了一种基于聚硅氧烷的新型线粒体靶向可逆荧光探针 P?HClO?SO2,分别用于检测细胞内和体内SO 2以及HClO之间的氧化还原过程.通过聚巯基丙基硅氧烷(PMMS)和Cy-7-Cl之间的SN 2取代反应简单合成,产率为62%( 图16 ).探针在670 nm处显示出稳定的发射波长,当硫醚和碳碳双键被氧化后,电子重新排列,氧化过程破坏了先前的共轭结构,因此与HClO反应后荧光减弱( 图17 ).利用SO 2清除体内相关活性氧的能力,抵消了HClO引起的氧化应激,通过可逆反应研究了探针对SO 2的可逆能力,当NaHSO 3处理后,荧光强度随处理时间的延长而显著增强,探针的荧光可以在120 s内恢复,对SO 2具有很高的灵敏度.探针分别在HeLa细胞,4T1细胞(小鼠乳腺癌细胞)和Raw 264.7细胞(小鼠单核巨噬细胞白血病细胞)中进行了毒性测试,30 μmol/L的探针 P?HClO?SO2,对多种细胞无明显的细胞毒性,细胞存活率接近90%.在HeLa细胞中的共定位实验显示探针具有线粒体靶向性,重叠系数为0.96.在HeLa细胞中的内源性实验证明了探针 P?HClO?SO2 在细胞环境中对SO 2/HClO氧化还原循环过程的响应,探针表现出高度的敏感性.探针 P?HClO?SO2 还可以进一步高灵敏地检测斑马鱼和小鼠体内的氧化还原过程,有助于将应用扩展到生物领域,设计出更多检测氧化还原循环的近红外荧光探针. ...

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