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《华东师范大学》 2020年
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基于苯并噻二唑衍生物的pH荧光探针的合成及应用

李苓菱  
【摘要】:细胞pH是一个重要的生理参数,影响细胞许多生理活动,包括细胞代谢、细胞增殖与凋亡、物质转运与降解等,在诸多细胞生物学过程中担任至关重要的角色。细胞中存在多种具有不同pH环境的细胞器并发挥着各自的功能。细胞pH失衡会引起其功能紊乱,引发多种病症,如神经退行性疾病、癌症等疾病。因此,动态监测生物系统中pH的变化是至关重要的。在众多的检测方法中,由于荧光成像法具有如可视化、分辨率高、无损检测等优势,许多荧光探针被设计合成用于pH检测。然而,一些pH荧光探针仍存在如发射波长短和光漂白作用强等缺点,限制了其进一步应用。苯并噻二唑分子结构中的缺电子杂环使其具有很强的吸电子能力,常作为电子受体单元。苯并噻二唑具有良好的光物理特性,包括荧光量子产率高、光稳定性良好和Stokes位移较大,被广泛用于制备有机电子材料。近年来,陆续报道了苯并噻二唑(苯并双噻二唑)类荧光探针用于生物(医学)成像,然而对于响应型苯并噻二唑衍生物类荧光探针的研究较少,且少有这类探针被用于pH检测。基于以上研究背景,本论文以苯并噻二唑衍生物为基础,合理设计了几种基于苯并噻二唑衍生物的pH响应型荧光探针,实现了对pH的灵敏检测。同时,探针成功应用于质子泵抑制剂或氯喹诱导引起的细胞溶酶体pH变化的成像检测,也监测了自噬引起的细胞溶酶体pH变化。论文具体内容如下:第一章绪论本章介绍了细胞pH检测的重要性,总结了几类基于常见荧光团骨架的pH荧光探针的工作进展,随后介绍了苯并噻二唑衍生物类荧光探针的研究现状,最后阐述了本论文工作的重要性。第二章基于咪唑稠合的苯并噻二唑骨架的溶酶体靶向荧光探针用于细胞pH成像本章工作中,我们设计合成了一系列基于咪唑稠合的苯并噻二唑骨架的pH荧光探针,用于检测活细胞中溶酶体pH的变化。通过在咪唑环上修饰具有不同供/吸电子能力的取代基来调节荧光探针的光学性能(如吸收和发射波长),探针两端修饰吗啉实现对细胞溶酶体的靶向。所合成的四个pH探针均为酸响应型探针,在pH从8.5到4.0变化时表现出荧光增强。其中,探针MIBTAA在pH 4.4-5.6范围内呈现良好的线性关系,其pKa为5.3。探针MIBTAA对pH表现出快速响应、高灵敏度和良好的可逆性,而且,其在不同pH环境下具有良好的抗干扰能力和光稳定性。探针MIBTAA细胞毒性低,能监测活细胞溶酶体中pH的变化,并成功地应用于监测质子泵抑制剂Baf-A1和氯喹诱导引起的细胞溶酶体pH波动。该工作证明了基于咪唑稠合的苯并噻二唑骨架用于构建pH荧光探针的可行性,也说明了该类荧光探针可以作为溶酶体pH传感的新工具。第三章红光发射的D-A-D型荧光探针用于溶酶体pH成像本章工作中,我们构建了一个新型的供体-受体-供体(D-A-D)构型的荧光探针DBTD用于细胞溶酶体pH的检测。探针DBTD以二甲氧基支架修饰的苯并噻二唑为电子受体,N,N-二乙胺基作为电子供体和pH响应位点。由于其独特的D-A-D分子结构,探针DBTD具有最大发射波长为615 nm的红光发射。随着pH升高,探针DBTD的荧光强度逐渐增强,且在pH 4.5-5.2范围内具有良好的线性关系,其pK_a为5.0,适合用于溶酶体pH荧光成像。探针DBTD对pH响应的机理是由于二乙胺基中N原子的质子化过程引起探针DBTD的分子内电荷转移效应(ICT)的改变。该荧光探针成功应用于SGC-7901细胞溶酶体不同pH的荧光成像,并监测了饥饿诱导的自噬过程中细胞溶酶体pH的变化。实验结果证明了探针DBTD可作为一种新型且有效的荧光成像工具,用于监测溶酶体pH变化,并能帮助我们更深入了解溶酶体生理病理过程与pH的关系。
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