乏氧(Hypoxia)作为恶性肿瘤的特征之一,在肿瘤的生长调控中扮演着重要的角色。研究肿瘤乏氧可以对肿瘤的检测与治疗提供更加有力的手段,而在众多乏氧检测技术中,小分子荧光探针由于其设计简单、响应灵敏等优势被广泛用于肿瘤乏氧的检测。硝基还原酶(NTR)在肿瘤乏氧细胞内往往会大量表达,因此其可以作为检测肿瘤乏氧的重要指标。目前基于硝基还原酶的乏氧探针有很多,但近红外荧光探针却并不多见,尤其是吸收和发射均在近红外区域(>700 nm)的乏氧荧光探针。另外,基于氨基菁类荧光染料的近红外乏氧探针更是少有报道,因此设计合成新型的近红外乏氧探针是在现有研究基础上的一个有力补充,也能更好地推动荧光探针在生物成像上的应用。本文对现有的乏氧荧光探针做了一个简单的综述,然后在现有的研究基础上设计合成了一系列新型的近红外乏氧荧光探针,并研究了其在乏氧成像方面的应用。本文首先以对硝基苄基作为乏氧标记物、以哌嗪桥连取代的氨基菁类荧光染料CyNP为母体设计合成了两类检测硝基还原酶的近红外乏氧荧光探针CyNP1和CyNP2,并通过质谱和HPLC检测验证了探针对硝基还原酶的响应机理。CyNP1在缓冲溶液中的荧光淬灭非常彻底,而在硝基还原酶和NADH的作用下,CyNP1在10分钟之内就能迅速恢复大部分荧光,总的荧光增强能达到近40倍;而CyNP2对硝基还原酶响应之后只有2.5倍的荧光增强,而且荧光增强之后还会有轻微的减弱。质谱和HPLC结果显示,CyNP1对硝基还原酶响应并生成氨基化合物之后会发生重排-消除反应并最终生成母体染料CyNP,而CyNP2则只能生成硝基还原过程中的一个中间体亚硝基化合物。因此对比两类探针,CyNP1显示出更加优异的硝基还原酶检测能力。另外,探针CyNP1在其它还原性物质存在下均没有明显的荧光变化,表现出了对硝基还原酶的特异性响应。在细胞成像实验中,CyNP1在乏氧条件和常氧条件下的细胞成像图有着非常明显的区别,其中常氧条件下的Hela细胞几乎检测不到荧光,而Hela细胞在乏氧条件下培养之后却能检测到明显的荧光。当在乏氧细胞中加入一种硝基还原酶的抑制剂-双香豆素之后,乏氧细胞内完全检测不到荧光。这些结果表明CyNP1可以很好的用于硝基还原酶和肿瘤乏氧的检测。为了探索波长更长的近红外乏氧探针,本文又以对硝基苯甲酰基作为乏氧标记物、以氨基菁类荧光染料为母体设计合成了两类近红外乏氧探针CyN1和CyNP3,并首次通过质谱检测探讨了硝基还原酶对硝基类乏氧探针的催化还原机理。两类探针的最大吸收波长和发射波长均在700 nm以上的近红外区域,其中CyN1的最大发射更是达到了800nm以上,是目前报道的荧光增强型乏氧探针中吸收和发射波长最长的荧光探针。两类乏氧探针均对硝基还原酶有明显的荧光响应,荧光增强都能达到5倍左右,其中CyNP3对硝基还原酶响应十分迅速,5分钟之内基本能恢复大部分荧光。另外质谱结果显示,硝基还原酶对硝基类乏氧探针的催化还原过程主要涉及三类化合物,包括亚硝基化合物、羟胺类化合物以及氨基化合物,而探针CyN1和CyNP3的荧光增强主要来自催化还原过程的中间产物亚硝基化合物和羟胺类化合物。两类探针对硝基还原酶的荧光响应显示了其在肿瘤乏氧检测方面的潜在应用。