在动物的胃肠道中生活着一群数目庞大、种类繁多的微生物,它们被统称为肠道菌群。肠道菌群作为近年来的研究热点之一,被证明与宿主的新陈代谢、营养吸收和免疫调节等活动息息相关。目前,我们对肠道菌群的主要研究方法是通过高通量DNA测序技术对肠道微生物的基因组进行分析,比较物种的丰度和多样性水平。该研究方法加速了肠道菌群研究进程。但目前肠道菌群的研究仍有诸多问题亟待解决,如肠道菌群的定位和追踪,肠道菌群的动态监测等,现有的研究方法不能满足所需的技术支持,因此我们迫切需要新的肠道菌群研究方法。近年来,基于有机小分子荧光探针的活体成像技术发展迅速,具有高分辨、低成本、高效性、低毒性等优势。这或许是一种可以突破肠道菌群研究瓶颈的有效办法。本研究设计合成两类新型小分子荧光探针,一类是正电子鎓盐小分子荧光探针,另一类是近红外二区小分子代谢荧光探针,并对两类新型小分子荧光探针分别开展体外和体内细菌荧光成像研究,为肠道菌群荧光成像提供新的探针选择、也为肠道菌群成像的深入研究提供新的研究策略。本研究在课题组前期工作基础上,对线粒体靶向探针F16进行修饰和改造,提高荧光特性,降低了毒性,得到的两个正电子鎓盐小分子荧光探针分别命名为EF和6F。化合物EF和6F化学结构式简单,合成路线简便,适合于规模化生产。化合物EF和6F具有相近的荧光特性,吸收光谱范围为320 nm-500 nm,发射光谱范围在470 nm-620 nm之间,荧光稳定性良好,在日照和模拟胃肠道环境条件下都几乎没有荧光淬灭。体外细菌荧光成像实验中,化合物EF和6F能快速标记革兰阳性细菌——金黄色葡萄球菌和罗伊氏乳杆菌;革兰阴性细菌——大肠杆菌和鸡白痢沙门菌。化合物EF和6F几乎没有细菌毒性,最高使用浓度可达200μM。体内荧光成像实验中,通过IVIS小动物活体成像系统观察,化合物EF和6F进入体内后,主要聚集在肠道菌群最丰富的远端回肠、盲肠和结肠,而在其他主要器官中未发现荧光信号。通过Optiscan小动物活体共聚焦成像系统观察,在远端回肠的肠绒毛表面和结肠黏膜表面,都发现了黏附的定植菌群。通过共聚焦显微镜对肠道组织切片观察,在回肠绒毛上皮表面,也发现了标记的肠道定植菌群。同时,化合物EF和6F在工作浓度下不会对肠道组织造成损伤。在近红外二区小分子荧光探针CQ的侧链上接上一个D型丙氨酸,合成了新型近红外二区小分子代谢荧光探针CQDB。化合物CQDB具有和原探针CQ相似的吸收光谱和发射光谱,最大吸收波长为732 nm,荧光波长为1042 nm。选择罗伊氏乳杆菌作为研究对象,工作浓度下的化合物CQDB对罗伊氏乳杆菌的生长性能不会造成影响。在近红外二区体外荧光成像实验中,化合物CQDB能有效标记罗伊氏乳杆菌并成像。在近红外二区体内荧光成像实验中,观察到罗伊氏乳杆菌作为补充的益生菌,可以在胃中长时间大量定植。同时,监测到少量罗伊氏乳杆菌进入小肠后,随着小鼠肠道的蠕动而最终被排出体外的全部运动轨迹。这些细菌在小肠中运动3 h后开始进入盲肠,随后移动速度减慢;5 h后,细菌进入结肠粪便中;6 h后,细菌逐渐随着粪便被排出体外。综上,本研究设计合成的新型正电子鎓盐小分子荧光探针,可以在体外和体内环境中有效标记细菌,并可在体内对肠道菌群进行标记和定位。设计合成的新型近红外二区小分子代谢荧光探针,具有高穿透性和高信噪比的优势,借助近红外二区活体成像系统MARS,实现对标记细菌在小鼠胃肠道中的可视化成像,可实时对标记菌进行体内定位和追踪。上述两类探针对细菌活性和宿主健康都无不良影响。本研究为肠道菌群成像研究提供新的探针选择,也为肠道菌群的深入研究提供新的策略。