新型pH荧光探针的设计合成及其生物成像应用

【摘要】：溶酶体内含的多种酸性水解酶在酸性环境下活性达到最佳状态,溶酶体内微环境的pH值为3.8-5.0。溶酶体在细胞内吞、细胞自噬、质膜修复和氧化应激等生理过程中发挥着重要的作用。研究报道,肿瘤细胞中溶酶体的数量明显多于正常细胞且体积偏大,当肿瘤细胞中溶酶体释放组织蛋白酶至细胞质,会促进肿瘤细胞发展,溶酶体已成为选择性破坏癌细胞的药理学靶点。因此,实时监测癌细胞中的溶酶体pH值对深入研究溶酶体在肿瘤侵袭和转移中的作用至关重要。本论文设计制备了三种具有大Stokes位移、高荧光量子产率和良好细胞膜穿透性的溶酶体靶向pH荧光探针,对其结构进行了表征。结合荧光共聚焦显微镜,将探针应用于溶酶体pH波动的可视化荧光成像。具体研究工作如下:第一章:对pH荧光探针的研究及应用进行了综述。首先概述了细胞内pH的功能及其检测意义。其次,较为详尽地总结了荧光探针的识别机理。重点围绕亚细胞器靶向pH荧光探针的发展及其应用进行了综述。第二章:采用(苯并)吲哚为质子识别基团,咔唑为荧光团,二甘醇一甲醚基团为溶酶体靶向基团,利用一步缩合法,合成了基于ICT机理的比率型荧光探针MCDI和MCDBI。中性条件下,探针发射黄色荧光,酸性条件下,探针的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱均表现出pH依赖的红移。探针MCDBI在中性和酸性条件下的Stocks位移均大于100 nm。探针高荧光量子产率(0.56)、高灵敏度、良好的光稳定性、可逆性,及其pK_a值和线性范围(3.33-4.67),适用于溶酶体酸性pH成像。通过激光共聚焦成像技术成功实现了MCDBI和MCDI与LysoTracker Green DND-26在多种肿瘤细胞共染色成像,说明此类探针具有肿瘤细胞溶酶体靶向性。探针成功应用于活细胞内溶酶体pH波动的比率检测。第三章:利用咔唑作为双光子荧光团,苯并咪唑为质子识别基团,通过Knoevenagle缩合反应合成了基于ICT机制的比率型pH荧光探针BIMC。在中性条件下BIMC最大发射波长位于454 nm,酸性条件下,呈现出强烈的绿色荧光,其发射波长红移至514 nm。探针具有大的Stokes位移95 nm和高荧光量子产率0.45,pK_a值为4.46。在pH 3.83-5.0范围内其荧光发射比F_(454 nm)/F_(514nm)对H~+具有良好的线性关系及快速响应能力。通过理论计算和核磁滴定进一步验证了其pH响应机理。BIMC具有较大的双光子吸收横截面(37)_(?max)=65 GM,且双光子模式下得到探针的pK_a值为4.38。在HeLa细胞中,BIMC与红色溶酶体特异性染料(LysoTracker Red DND-99)的共染色实验得到Pearson’s共定位系数为0.905,说明探针具有良好的溶酶体特异性;BIMC能够可视化监测溶酶体pH的波动;在老鼠肝部组织中的双光子成像结果表明,BIMC能够应用于可视化区分癌症组织和正常组织。第四章:螺吡喃类荧光探针,可通过pH调控其开关环结构的转换。在碱性条件下,表现为关环的螺吡喃形式;酸性条件时,探针中的C-O键质子化后,转变为开环的部花菁形式,导致荧光信号的变化。基于此机理,构建了一个咔唑螺吡喃的“开关”型pH荧光探针EMCDI。分别采用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究了EMCDI的pH响应性能。pH响应范围为5.0-10.0,随着pH值逐渐降低EMCDI呈现明显的发射增强效应。EMCDI对H~+具有较高的灵敏度和良好的选择性,和光学稳定性。在HeLa细胞成像实验表明,探针可穿透细胞膜,并且成功应用于细胞自噬过程中细胞内pH变化的实时监测。