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羧酸酯酶是人体内重要的活性酶,在各种酯类药物、环境毒物和致癌物的解毒及代谢激活中起关键作用。然而,其酸性代谢物会影响细胞器正常功能。锌离子在生命体系中扮演着至关重要的角色。研究表明锌离子与恶性肿瘤等疾病的发生存在一定关系。因此研究酶、pH及锌离子相关生理病理过程对人类攻克癌症等重大疾病具有重要意义。与传统检测技术相比,基于荧光分子探针的分析技术因具有低损伤、可视化、高分辨等功能而被研究者青睐。然而,许多探针受灵敏度的限制,而导致检测结果准确性低、选择性差。加之研究策略上的创新如联动位点响应、电子分布规律及空间结构相对缺乏,因此限制了探针对待测物实施联动响应及实时原位监测技术的发展。此外,在进行成像分析时,荧光探针还受波长、剂量、报告强度及背景的限制,往往无法得到高保真的成像结果。尽管研究人员已经开发出多种用于检测羧酸酯酶及pH的荧光探针,但依然缺乏对羧酸酯酶和pH联动双响应的高灵敏探针;而许多基于分子探针的锌离子成像研究多限于细胞组织及水生动物层面,缺乏在活体层面的深入研究。基于此,本文开展了如下工作:1、双比率线粒体锁定双光子荧光探针的开发及给药期间羧酸酯酶介导的线粒体酸化原位成像研究。我们设计合成了双光子比率型荧光分子探针(E)-4-(2-(7-acetoxy-2-oxo-2H-chromen-3-yl)vinyl)-1-(4-(chloromethyl)benzyl)pyridin-1-ium--chloride(CEMT)。CEMT以羧酸酯为酶的触发基团,水解产物具备可响应pH的酚羟基,首次实现了对羧酸酯酶和pH的连续双响应检测。CEMT具有灵敏度高、较大的双光子吸收截面积(δ=165 GM)、双比率计量、线粒体靶向锁定牢固(pH为7.4/4.98时,皮尔逊相关系数分别为0.91/0.89)及响应迅速(羧酸酯酶10分钟、pH数秒内完成响应)等优点。我们创新性地运用联动位点响应策略,解决了探针在双响应及原位监测领域不足的问题。CEMT成功用于抗炎药物所致的肝癌细胞及肝组织酸化的双光子成像分析,这对于监测酶介导的亚细胞环境改变具有重要意义。2、激发态电子转移与光诱导电子转移双重调节机制下的高保真活体成像研究。我们设计合成了可用于高保真成像的7-hydroxy-2-oxo-2H-tryptone-3-acetalde hyde-n(HPC-n)系列荧光探针。我们以荧光基团(F)-电子供体(D)-电子调节体(R)构成的系统、协同激发态电子转移(ESET)与光诱导电子转移(P ET)双重调节机制为策略对探针进行了从头设计。探针具有超高灵敏度(荧光增加的最大倍数为140倍)、高量子产率(Φmax=0.64)、响应迅速(与锌离子数秒内完成反应)、超低潜在背景(FNB)及超强特异性等优点。我们创新性地将电子调节机理融入探针设计策略中,解决了探针在灵敏度及高保真成像领域不足的问题。利用HPC-n系列探针,我们首次实现了以荧光探针对活体小鼠内锌离子介入的肿瘤发育高保真成像分析,为设计高灵敏度、高保真成像的荧光探针提供了重要策略。