生物发光(Bioluminescence)是活体生物产生发光的一种常见自然现象,其本质过程是生物体内发生的化学变化引起的。从原生生物到低等脊椎动物自然界中的许多生物都可以产生生物发光现象,比如浮蚕、水母、细菌、萤火虫等。萤火虫萤光素酶发光体系是研究较早、应用较广泛的生物发光体系之一,在氧气、镁离子和ATP存在的条件下,萤火虫萤光素酶底物能够被其相对应的酶催化氧化,从而发出波长在560 nm左右的黄绿色的光;另一种研究和应用比较广泛的生物发光体系是海肾萤光素酶体系,而腔肠素是水母、海肾等海洋生物的天然发光底物,在氧气存在的条件下能够被海肾萤光素酶催化氧化,从而发出波长在480 nm左右的蓝光。生物发光成像(Bioluminescence imaging)是利用稳定转染表达萤光素酶基因的细胞与对应的萤光素发生氧化还原反应产生光子从而进行生物活体成像的一种技术。由于其具有灵敏度高、特异性强、操作简单以及非侵袭性等特点,生物发光成像技术已被广泛的应用于研究各种生命活动,例如检测细胞的增殖和迁移、肿瘤的生长、酶的活性、蛋白-蛋白的相互作用以及其他用途等。本课题研究主要分为两部分:首先我们基于光激活分子理念设计合成了 3个光激活的海肾萤光素酶底物,并对其生物活性进行了研究;其次我们运用前药设计策略基于不同的萤火虫萤光素酶底物合成了 8个酯类萤光素衍生物,并对其生物活性进行了研究。第一部分:我们设计合成了 3个光激活的海肾萤光素酶底物,并在酶水平、细胞水平以及动物水平对其生物活性进行了系统评价。常见的光激活分子通常是由光降解基团与被保护的分子两部分组成的,这些被保护分子一般具有一定的生物功能,通过引入对光敏感的保护基使其暂时失去活性,但是当用适宜波长的光激活该分子后,能够释放出被保护分子从而发挥其生理作用。通过控制光激活分子发展而来的光控技术已经成为一种不可或缺的工具,广泛地应用于细胞或生物学研究,例如光激活的蛋白质、神经递质、mRNA和核酸等。该部分运用光激活分子理念设计合成了 3个光激活分子,其不能产生生物发光,但是365 nm光照能够将其激活从而释放出海肾萤光素酶底物产生生物发光。结果表明不论是在体外还是在体内,365 nm的光都能将这3个光激活底物激活产生生物发光,所以其可以作为潜在的生物发光底物,并能拓展其在生物发光成像方面的应用。第二部分:我们基于3个不同的萤火虫萤光素酶底物设计合成了 8个酯类萤光素衍生物,并对其活性进行了研究。为了延长萤光素酶底物的发光时间,我们运用前药策略,分别在羟基萤光素、氨基萤光素和N-环丁基氨基萤光素的羧基引入保护基获得了羧酸酯类化合物。这些酯类萤光素衍生物不能被萤光素酶识别,但是在溶液或者细胞内能够发生水解,从而释放出相应的底物,进而被酶识别产生生物发光。结果表明由于保护基的存在,这些酯类萤火虫萤光素衍生物在细胞内的生物发光时间都显著延长,其中化合物110-50在体内的生物发光时间也明显延长,这对于进一步开发萤火虫萤光素酶体系的应用具有重要意义。