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代谢酶是一类代谢各种外来异物质以及内源性底物的蛋白质,在维系机体生理平衡中发挥着至关重要的作用。酶活性的异常与多种疾病的发生、发展直接相关,开发实时、定量评估酶活的工具十分必要。与传统分析手段相比,荧光探针可将酶的真实活性可视化呈现,具有高灵敏、高分辨率、原位实时检测等优势,成为近年来研究热点。代谢酶种类繁多,部分代谢酶存在诸多亚型,目前关于代谢酶亚型选择性荧光探针的报道相对较少,且借助探针对酶相关生理功能的研究有待进一步探索。基于氟硼吡咯(difluoroboron dipyrromethene,BODIPY)荧光团优异的光学性质和易于功能化改造的结构特点,本文选用BODIPY为母体,结合目标酶偏好底物特征和BODIPY结构与光谱的构效关系,设计、合成了羧酸酯酶1(CES1)、谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)和尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1A1(UGT1A1)高选择性荧光探针,并进行相应生物学应用研究。(1)CES1作为机体自我防御屏障系统的关键成员,在机体解毒和防御过程中发挥重要作用。本文根据CES1偏好代谢具有较大酰基片段、较小羟基片段酯类底物的特征,结合BODIPY母体meso位取代基吸电能力强弱与其光谱属性关系,对CES1潜在荧光底物进行理性设计,并借助分子对接模拟指导和体外实验筛选,开发出一例长波长(595 nm)、高选择性的CES1荧光探针MMB。探针MMB对CES1具有高灵敏度以及较强的抗干扰能力,同时与酶表现出良好的亲和力(Km=2.1μM),可作为工具分子用于复杂生物样本中CES1活性的定量检测以及CES1抑制剂的高通量筛选。此外,探针MMB具有较低的细胞毒性和良好的细胞透膜性,可实现细胞、组织、器官以及活体斑马鱼等生物体系中CES1活性的原位检测。(2)GSTs是机体解毒的重要防御体系。本文根据GSTs催化谷胱甘肽进攻化合物亲电中心的代谢特征以及BODIPY母体结构与光谱属性关系,基于光诱导电子转移机理开发了一例高选择性GSTs荧光探针BDCN。探针BDCN对GSTs具有高灵敏度以及较强的抗干扰能力,可实现多种生物体系(细胞、器官微粒体及肿瘤组织)中GSTs活性的定量检测。此外,借助探针BDCN为工具分子,揭示肿瘤细胞中GSTs活性的升高能够显著增强细胞对抗癌药顺铂(cisplatin)的耐药性,进而影响cisplatin化疗效果,其研究结果对肿瘤治疗用药方案具有重要参考价值,同时为临床中cisplatin的个性化给药提供了一种快速有效的评价手段。借鉴BDCN结构特征,保留BODIPY母体meso位3,4-二硝基苯为GSTs反应位点,在BODIPY母体2位引入苯乙炔结构以增大母核双光子吸收截面积,开发出一例GSTs双光子探针BNPA。探针BNPA对GSTs具有高选择性、高灵敏度,可在双光子激发下,实现细胞及深层组织中GSTs活性的检测和成像,更大限度避免生物背景荧光干扰。此外,借助探针BNPA为工具分子,揭示异硫氰酸-A-萘酯(ANIT)诱导引起的肝损伤中GSTs活性明显下降现象,可为GSTs活性与相关肝脏疾病的关系研究提供参考。(3)UGT1A1是重要的Ⅱ相代谢酶,在解毒胆红素等内源性毒物和维持机体代谢平衡中发挥关键作用。根据UGT1A1催化羟基发生葡萄糖醛酸化反应的代谢特征以及BODIPY母体结构与光谱属性关系,设计、合成了系列UGT1A1潜在荧光底物。并基于UGT1A1催化空腔较大特点,对筛选出的优势底物进一步结构修饰以提高亚型选择性,开发出一例Off-On型UGT1A1荧光探针BUHE。探针BUHE具有高灵敏、抗干扰能力强等优点,同时表现出良好的酶亲和力(Km=0.59 μM),酶促反应符合米氏动力学方程。探针BUHE可作为工具分子用于UGT1A1抑制剂的评价和高通量筛选,其中抑制剂新补骨脂异黄酮对UGT1A1和肝微粒体具有高度吻合的抑制曲线和相近的IC50值,可利用肝微粒体代替昂贵单酶进行抑制剂筛选。此外,探针BUHE具有较低的细胞毒性和良好的细胞透膜性,可实现细胞、组织、器官多种生物体系中UGT1A1活性的原位检测。