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新型生物无机物种荧光探针的设计与成像研究

陈韵聪  
【摘要】:随着生命科学的快速发展,人们发现生命体系中的无机物种在各种生理过程中具有重要的调控功能。内源性的生物无机物种在生物体内保持着复杂而精细的动态平衡,对维持生命体的正常的生理功能起着不可或缺的作用。而外源毒性无机物如重金属离子、CN-等通过食物链富集,最终进入人体对并对各个器官的生理机能造成损害。发展方便快捷的生物无机物种的检测方法,实现对这细胞与活体中些小分子物种的动态监测,对阐明它们的生理和病理作用具有重要意义。由于荧光探针技术灵敏度高、可无损提供被测物种的动态时空分布信息,已成为目前应用最广泛的检测和分析生物无机物种的方法之一。然而,在生物无机物种荧光探针的研究中还存在着一些问题与挑战。 本论文在系统总结了经典的荧光探针设计原理的基础上,全面考察了无机小分在探针设计的现状,针对目前该领域遇到的困难和挑战,开展了以下的研究: 首先,针对目前H2S的荧光探针的响应时间普遍较慢的问题,将香豆素基团与部花菁染料杂合,利用H2S的亲核性,设计出一系列快速响应H2S荧光探针(CMC系列),并研究了该系列探针对H2S响应的构效关系。其中探针CouMC可以实现对H2S数秒内的快速比例计量检测,是目前对H2S响应速度最快的荧光探针之一。此外,该探针还具有线粒体靶向功能,能实现对MCF-7细胞线粒体H2S的快速跟踪造影。在此基础上,利用FRET机理发展了一种新型普适的比例计量型H2S荧光探针设计策略,并据此构筑了3个比例计量型H2S荧光探针。利用这些探针实现了对HepG-2细胞中内源性H2S的检测,以及对活体小动物裸鼠的H2S比例计量荧光成像。 其次,针对目前对具有线粒体靶向功能的比例计量型pH荧光探针的研究较少的问题,将对pH敏感的荧光素荧光团(FITC)与对pH不太敏感的部花菁染料结合,并利用部花菁染料的线粒体靶向功能,设计合成了线粒体靶向的比例计量型pH荧光探针Mito-pH。该探针可实现对pH快速的、可逆的比例计量检测。细胞成像实验证实了该探针的线粒体靶向功能。此外,利用该探针还实现了对MCF-7细胞在氧化还原刺激条件下pH变化的实时跟踪造影。 再次,由于Cu2+的顺磁性会猝灭荧光,目前的Cu2+荧光探针大多基于化学反应而设计,需要较长作用时间且不能实现可逆检测。针对这个问题,以香豆素荧光团(Coumarin)为供体、磺酰胺取代的苯并噁二唑(SBD)为受体,二吡啶甲基胺(BPA)为识别基团,基于FRET机制合成了能快速可逆响应Cu2+的比例计量探针CSBPA。利用Cu2+的螯合作用,改变探针体系中的FRET效率,实现对Cu2+的比例计量响应,并成功将探针应用于活细胞中Cu2+的比例计量造影。 最后,针对目前反应型Hg2+荧光探针灵敏度较低、响应速度较慢的问题,发展了快速高灵敏度的Hg2+荧光探针。以氨基取代苯并嗯二唑(ABD)为荧光团,缩硫醛(1,3-二噻烷,DT)为Hg2+识别基团,构筑了增强型Hg2+荧光探针DT-ABD。利用Hg2+对缩硫醛的快速脱保护作用,改变探针分子体系的ICT过程。该探针克服了Hg2+的重原子猝灭效应,且能在2min内反应完全。在此基础上,以香豆素衍生物为荧光团,基于相似的响应机理,设计了比例计量型Hg2+荧光探针CDTT。利用得到两个高灵敏度的荧光探针,对活体斑马鱼幼体的Hg2+进行了荧光成像,并对Hg2+在斑马鱼体内的分布及毒性机理进行了初步研究。


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