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比率型和细胞器定位型荧光探针的设计

于海波  
【摘要】:基于荧光染料的荧光技术在生命科学领域发挥着重要的作用,随着荧光显微技术和时间分辨技术的迅猛发展,荧光探针已成为研究生物学和基础医学领域相关问题的重要手段。然而,绝大多数荧光探针不具有特异的靶向性以及提供定量检测的信息,已经不能满足人们对某些生理过程进行观测的需要。本文从氟硼吡咯、罗丹明、萘酰亚胺三种发色团出发,通过对其结构进行修饰,设计并合成了基于FRET机理的比率型和细胞器定位型荧光探针,并通过实验测试初步评估了其应用价值。 1、受罗丹明开关环型荧光探针的启发,我们报道了一种拆分5,6-R-TMR异构体的通用性方法,并成功分离提纯得到5(6)-CO-TMR、5(6)-NO-TMR和5(6)-Br-TMR三对罗丹明异构体;并在此基础上以单一异构体5(6)-Br-TMR为能量受体,以BODIPY为能量供体,构建了两个FRET体系BRP1和BRP2。由于BRP体系中的罗丹明螺内酯在质子和非质子溶剂中存在开关环反应,BRP分子对质子和非质子型溶剂较为敏感,并将其用于对细胞内质子型环境的监测,发现细胞核周围部分区域具有较高的非质子性环境;为了进一步验证BRP体系可以作为设计比率型荧光探针的通用性平台,以BRP2为基础设计合成两个比率型汞离子探针Hg-1、Hg-2和一个比率型一氧化氮荧光探针BRP-NO,并分别测试了其在水中和细胞内对汞离子以及NO的响应。在溶液中,探针Hg-1和Hg-2对汞离子表现出了良好选择性,荧光比率变化范围较宽,并且变化明显,与Hg-2相比,探针Hg-1具有更高的灵敏性;在细胞试验中,Hg-1表现出更快的汞离子响应,由绿变红的颜色变化。探针BRP-NO对一氧化氮表现出了良好选择性,与一氧化氮反应快速,肉眼可见的荧光颜色变化,荧光比率变化范围较窄,并且变化明显,能够对溶液中的一氧化氮实现高灵敏的检测。共聚焦成像表明基于BRP能量转移体系的平台,可以成功的设计比率型汞离子或NO荧光探针,这为设计其他比率型荧光探针提供新的设计思路。 2、以6-Br-TMR为平台,利用钯催化、‘Click’反应,方便快捷的在6位引入线粒体导向性的三苯基膦,设计合成了定位线粒体的NO荧光探针Mito-Rh-NO,对NO响应灵敏,不但可以对细胞内原生性的NO进行检测,也可以用于Mito-Rh-NO监测NOC13等一氧化氮释放剂对NO的释放过程;设计合成了定位溶酶体的NO荧光探针该分子由三部分组成,分别是具有双光子特性的4-溴-1,8-萘酰亚胺,Lyso-NINO,NO捕获剂的o-邻苯二胺和溶酶体导向性的吗啉基团。作为对比合成了参比化合物和NINO。 NINO均对NO表现出了较高的选择性和极高的灵敏度,Lyso-NINO和NINO与NO反应后双光子截面积分别增大至200、250GM左右,共定位实验表明Lyso-NINOLyso-NINO能够定位溶酶体中,通过共聚焦荧光显微成像和流式细胞检测,借助于溶酶体定位探针Lyso-NINO,首次观测到了溶酶体中的一氧化氮。 3、将正电荷引入极性敏感型Styryl-BODIPY母体中,合成了探针分子Mem-BDP,通过改变其溶解性使其能够定位于细胞膜上,正电荷的引入在一定程度上抑制了Mem-BDP随着溶剂极性增大荧光峰红移的现象,并且Mem-BDP在不同溶剂中均保持了较高的荧光量子效率(0.3),Mem-BDP可以作为监测细胞膜形态变化的指示剂,当存在20μM的汞离子时,发现细胞膜的局部出现变形。将BRP2甲酯化后合成了定位于线粒体中探针分子BRPMc在线粒体中BRPM呈现出强烈的红色荧光,而观测不到任何绿色荧光,这表明BRPM体系的能量转移在细胞内不受微环境的影响;此外BRPM在线粒体中表现出了奇特的光致变色性质,当使用汞灯进行光刺激后,细胞内的荧光会由红色变为绿色,并且这一过程是BRPM于线粒体中的特征性过程。


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