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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1 探针CMBI的合成路线和与ClO-的反应机制 51
正文中引用本图/表的段落
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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... 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 ]、 NN-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. ...
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... 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 ]、 NN-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. ...
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... 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. ...

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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... 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. ...
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... 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. ...
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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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