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新型氧杂蒽类荧光染料与荧光探针的设计、合成与成像应用研究

袁林  
【摘要】:近年来,荧光成像是监控活细胞与活体中生物分子及其生物过程最重要的手段之一,而性能优良的荧光探针是实现成像分析的物质基础。其中,由于氧杂蒽类(罗丹明和荧光素等)荧光染料优越的光物理性能,广泛的应用于发展小分子荧光成像探针。但是,氧杂蒽类荧光染料在发展荧光探针方面仍然存在一些问题,限制了它们的广泛应用。首先,目前文献中报道的利用罗丹明类染料构建的荧光探针大多数是基于荧光强度变化,这种检测方式容易受到其它因素的干扰,如探针浓度,环境条件,设备效率等。尽管文献中已报道了一些利用FRET原理发展的基于罗丹明衍生物的第一代比率荧光探针,但还是存在局限性,例如每个探针都需要特殊的合成路线并且不能用于设计目标物水解闭环的罗丹明衍生物为开环罗丹明酸的荧光探针;其次,目前几乎所有的基于氧杂蒽类荧光染料构建的分子荧光成像探针都集中在可见光区域(文献综述中论述的近红外硅罗丹明染料与我们发展的长沙染料是同步进行并报道),而可见光成像技术存在背景荧光强、光漂白、光致毒和组织穿透性有限等问题,从而限制了基于氧杂蒽类荧光染料构建的荧光探针在化学生物学和临床检验诊断等领域的应用;再次,氧杂蒽类荧光染料存在的另一个问题是斯托克斯位移很小(25nm),这将导致严重的荧光自淬灭和瑞利散射而引起的检测误差,严重限制了其广泛应用。 本论文工作的立足点就是有机化学、分析化学、材料化学与生物科学的交叉,从分子结构创新入手,设计合成一系列新型氧杂蒽荧光染料,主要目的是为目前氧杂蒽类荧光染料在构建荧光成像探针中出现的上述一些瓶颈问题提供新的解决方案。围绕着这个目的,本论文主要开展了以下工作: (1)我们提出了一种利用荧光共振能量传递(FRET)原理发展基于罗丹明平台的第二代比率荧光探针设计策略,用以解决目前基于罗丹明衍生物发展的第一代比率荧光探针存在的局限性(每个探针都需要特殊的合成路线、不能用于设计目标物水解闭环的罗丹明衍生物为开环罗丹明酸的荧光探针等)。我们首先构建了香豆素-罗丹明FRET分子,考察了其在发展生物活性小分子(Cu2+,NO和HOCl等)比率荧光成像探针方面的应用潜力。发现其不但可以解决目前基于罗丹明衍生物发展的第一代比率荧光探针存在的局限性,而且表现出了优良的光谱性能,即探针与分析物作用前后的两个发射峰重叠非常少,具有很好的分辨率,可降低发射光谱重叠导致比率值不够精确的问题而产生的严重荧光检测误差。 (2)在上述工作的基础上,综合应用分析物断裂可切断活性键(羟基的保护与脱保护,罗丹明内酰胺的“开-闭”环)与光物理过程扰动原理(ICT,FRET,共轭程度变化)联用,我们设计合成了首个能同时检测H2O2和NO的单分子荧光探针FP-H2O2-NO。该探针与H2O2,NO和H2O2/NO响应后具有三组不同的荧光信号模式:蓝-黑-黑,黑-黑-红和黑-红-红。并且通过多通道荧光成像,该探针成功地应用于同时检测巨噬细胞中产生的H2O2和NO。这些特点使FP-H2O2-NO可以作为一个很好的分子工具用来研究生物体中H2O2和NO的相互作用。 (3)近红外荧光成像技术具有背景干扰低、对生物样品的光损伤小、样品穿透性强和检测灵敏度高等优点,因此近红外荧光探针在活体动物成像等方面显示了较好的应用前景。我们设计合成了一类新颖的荧光性能可控(通过酸控螺环化反应)的长沙近红外荧光染料(CS1-6),并通过密度泛函理论,对新染料的“构-效”关系进行了初步的探讨。与经典的罗丹明类染料相比,长沙类荧光染料具有显著的优点:其最大吸收和发射波长都在近红外区,并保留了经典的罗丹明染料通过内酯/酰胺螺环独特的“开-闭”环结构控制荧光“开-关”的特点。在此基础上,我们进一步开发了新颖的近红外荧光增强型探针NIR-HOCl,然后将其应用于检测细胞和小动物中内源性的次氯酸。 (4)我们还合成了另一类新颖的含羟基的近红外荧光染料―湖大近红外荧光染料,并通过密度泛函理论,对新染料的“构-效”关系进行了初步的探讨。值得注意的是,与经典的荧光素类染料相比,湖大类荧光染料具有显著的优点:其最大吸收和发射波长都在近红外区,并保留了经典的荧光素染料通过羟基方便控制荧光“开-关”的特点,是设计近红外活体动物荧光成像探针的理想选择。在此基础上,我们通过简单的修饰湖大近红外荧光染料上的羟基,开发了新颖的近红外硫醇荧光探针NIR-Thiol和过氧化氢荧光探针NIR-H2O2,然后将其应用于检测细胞和小动物中内源性的硫醇和过氧化氢。 (5)我们还通过对GFP发射团的改造,设计并合成了另一种近红外光激发的氧杂蒽类双光子荧光染料―GCTPOC,并考察了其光谱性能。这类新颖的双光子荧光染料表现出了优良的光学性能,在近红外区具有较大的双光子吸收作用截面并且其双光子荧光性能可以通过羟基方便调控。因此,这类新颖的染料是发展双光子荧光“关-开”成像探针的理想选择。在此基础上,我们进一步开发了一种双光子硫醇荧光探针,并将其成功应用于活体组织中硫醇的双光子成像研究,表明GCTPOC在发展双光子荧光成像探针方面有着广泛的应用前景。 (6)最后,我们合成了一系列具有大斯托克斯位移的可见光与近红外罗丹明类衍生物与类似物:a)我们首次设计合成了能量供体的发射光谱与受体的吸收光谱之间具有很小重叠的新型香豆素-罗丹明键能量传递(TBET)分子。这类TBET分子的准斯托克斯位移达230nm,供-受体之间的发射波长移动达170nm。在此基础上,我们发展一种基于TBET原理的具有良好发射光谱分辨率的pH比率荧光探针。b)我们设计合成了一类具有大斯托克斯位移的长沙近红外荧光染料类似物。在此基础上,我们开发了一种具有大斯托克斯位移的近红外HOCl荧光探针,近红外荧光成像表明该探针能检测细胞中内源性的HOCl。 总之,本论文从分子结构创新入手,设计合成了一系列新型氧杂蒽荧光染料,来解决目前氧杂蒽类荧光染料在构建荧光成像探针中出现的一些瓶颈问题,并用其发展了一系列的新型荧光成像探针。


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