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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

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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18 探针D6的反应机理^{［

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］}

正文中引用本图/表的段落

多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是一种分子级的有机-无机杂化产物，具有独特的立方笼状结构和8个高活性有机基团［97-101］。由于其优异的生物相容性、独特的表面性质和优异的热稳定性和化学稳定性，它在选择性离子识别、催化和发光方面显示出相当大的潜力［102-109］。2021年，林伟英课题组［110］设计了一种基于POSS的近红外荧光探针 D6，将Cy7和1，8-萘酰亚胺作为荧光基团，以检测绿色和近红外通道中线粒体中的外源和内源HClO（图18）。并且当Cy7键合到POSS笼上时，可以获得更大的发射波长，造成这种现象的原因是芳香环的轨道与硅的3 d轨道相互作用导致 d?p轨道共轭的形成，从而发生吸收峰的红移。探针对HClO表现出高选择性，发射波长分别在510和820 nm处产生荧光响应。当加入HClO之后，硫醚被氧化成亚砜，由于ICT被阻断，绿色发射的荧光强度减弱。同时Cy7双键被氧化生成环氧乙烷，大共轭 π体系被破坏，导致近红外发射的荧光强度减弱。HepG2细胞中，共定位实验显示探针主要在线粒体里，皮尔森系数为0.92，并且探针 D6能够成功应用于HepG2细胞中外源性HClO和RAW264.7细胞中的内源性HClO的检测。与探针 D6一起孵化的斑马鱼模型，在共聚焦红色通道和绿色通道中发出强烈的荧光，随着HClO的加入，荧光逐渐减弱。

多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是一种分子级的有机-无机杂化产物，具有独特的立方笼状结构和8个高活性有机基团［ 97 - 101 ］.由于其优异的生物相容性、独特的表面性质和优异的热稳定性和化学稳定性，它在选择性离子识别、催化和发光方面显示出相当大的潜力［ 102 - 109 ］.2021年，林伟英课题组［ 110 ］设计了一种基于POSS的近红外荧光探针 D6，将Cy7和1，8-萘酰亚胺作为荧光基团，以检测绿色和近红外通道中线粒体中的外源和内源HClO（图18 ）.并且当Cy7键合到POSS笼上时，可以获得更大的发射波长，造成这种现象的原因是芳香环的轨道与硅的3 d轨道相互作用导致 d?p轨道共轭的形成，从而发生吸收峰的红移.探针对HClO表现出高选择性，发射波长分别在510和820 nm处产生荧光响应.当加入HClO之后，硫醚被氧化成亚砜，由于ICT被阻断，绿色发射的荧光强度减弱.同时Cy7双键被氧化生成环氧乙烷，大共轭 π体系被破坏，导致近红外发射的荧光强度减弱.HepG2细胞中，共定位实验显示探针主要在线粒体里，皮尔森系数为0.92，并且探针 D6能够成功应用于HepG2细胞中外源性HClO和RAW264.7细胞中的内源性HClO的检测.与探针 D6一起孵化的斑马鱼模型，在共聚焦红色通道和绿色通道中发出强烈的荧光，随着HClO的加入，荧光逐渐减弱. ...

... 以探针与HClO/ClO-的作用机制不同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方面进行了归纳总结.除此之外，非线粒体靶向的NIR荧光探针还可以通过HClO/ClO-诱导醛肟基团［ 44 ］、 N， N-二甲基硫代氨基甲酸酯［ 45 - 48 ］、苯硼酸/硼酸酯［ 49 - 50 ］等反应进行.本文主要围绕用于检测HClO/ClO－的线粒体靶向NIRⅠ区荧光探针展开讨论. ...

... 2016年，鲍光明课题组和曾林涛课题组报道了一种用于检测ClO－的NIR荧光探针 CMBI［ 51 ］，因为7-二乙氨基香豆素的紫外可见吸收光谱和发射光谱主要位于400~500 nm区域，不能穿透组织，受自身荧光背景的强烈干扰，所以科研人员通过引入苯并吲哚鎓盐达到延长共轭的目的，通过7-二乙氨基香豆素和苯并吲哚鎓基团之间的缩合构建探针 CMBI.由于 π-共轭面的延展和分子内电荷转移的作用，其最大发射波长可达到658 nm（图1 ）.在ClO-和 CMBI的光谱滴定实验中，基于碳碳双键的氧化裂解反应，在比色和比率上 CMBI显示出对ClO-具的双重响应，探针响应时间在90 s以内，最低检测限为33 nmol/L.当加入ClO-后， CMBI在658 nm处的荧光强度逐渐降低，475 nm处出现蓝移的荧光发射峰，加入10倍化学计量的ClO-后，比率值（ F ₄₇₅/ F ₆₅₈）增强了370倍.此外，苯并吲哚鎓盐可以增加水溶性，帮助探针选择性地在活细胞的线粒体中积累［ 52 - 53 ］，在HeLa细胞（人宫颈癌细胞）上的荧光共聚焦实验表明， CMBI与线粒体绿色荧光探针的叠加效果很好，皮尔森系数为0.94，可以实现在活细胞线粒体上对ClO-的实时监测. ...

... 多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是一种分子级的有机-无机杂化产物，具有独特的立方笼状结构和8个高活性有机基团［ 97 - 101 ］.由于其优异的生物相容性、独特的表面性质和优异的热稳定性和化学稳定性，它在选择性离子识别、催化和发光方面显示出相当大的潜力［ 102 - 109 ］.2021年，林伟英课题组［ 110 ］设计了一种基于POSS的近红外荧光探针 D6，将Cy7和1，8-萘酰亚胺作为荧光基团，以检测绿色和近红外通道中线粒体中的外源和内源HClO（图18 ）.并且当Cy7键合到POSS笼上时，可以获得更大的发射波长，造成这种现象的原因是芳香环的轨道与硅的3 d轨道相互作用导致 d?p轨道共轭的形成，从而发生吸收峰的红移.探针对HClO表现出高选择性，发射波长分别在510和820 nm处产生荧光响应.当加入HClO之后，硫醚被氧化成亚砜，由于ICT被阻断，绿色发射的荧光强度减弱.同时Cy7双键被氧化生成环氧乙烷，大共轭 π体系被破坏，导致近红外发射的荧光强度减弱.HepG2细胞中，共定位实验显示探针主要在线粒体里，皮尔森系数为0.92，并且探针 D6能够成功应用于HepG2细胞中外源性HClO和RAW264.7细胞中的内源性HClO的检测.与探针 D6一起孵化的斑马鱼模型，在共聚焦红色通道和绿色通道中发出强烈的荧光，随着HClO的加入，荧光逐渐减弱. ...

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