靶向线粒体的近红外比率型过氧化氢荧光探针对线粒体自噬进程的可视化监测

Mitophagy is closely related to the pathogenesis of many critical diseases. Research on the process of mitophagy has become a hot topic in the field of biomedicine. As a signaling molecule, reactive oxygen species (ROS) are involved in various signaling pathways induced autophagy. However, as an important component of ROS, hydrogen peroxide (H2O2) has not been fully understood in relation to the changes of its concentration and spatial-temporal distribution and mitophagy. The development of mitochondria-targeted fluorescent probe for highly sensitive and visual monitoring of mitophagy and the level of H2O2 is extremely urgent and of great significance. The aim of this project is to synthesize two kinds of mitochondria-targeted and near-infrared ratiometric H2O2 fluorescent probes based on improved near-infrared cyanine skeleton and benzopyrrole-two-photon-conjugate system, respectively. Combined with the single/two-photon fluorescence imaging technology, the probes will be further applied in the analysis of mitochondrial H2O2 fluorescence imaging. The visual monitoring system for the process of mitophagy and the level of H2O2 will be constructed. The correlation between the concentration of H2O2 and the stages of mitochondrial autophagy will be explored. It would provide a theoretical basis for further understanding the mechanism of mitophagy and exploring the early diagnosis and pathological study of mitochondrial lesions or related diseases.

线粒体自噬与许多重大疾病的发病机制密切相关，针对线粒体自噬进程的研究已成为目前生物医学领域的研究热点。活性氧（ROS）作为信号分子参与多种诱导自噬的转导途径。然而，作为活性氧重要组分的过氧化氢（H2O2），其浓度与时空分布变化与线粒体自噬之间的关联机制尚未完全搞清。发展靶向线粒体的H2O2荧光探针对线粒体自噬进程及其H2O2水平进行高灵敏、可视化监测显得极为迫切并具有重要意义。本项目拟分别基于改良的近红外花菁骨架和苯并吡咯-双光子-共轭体系设计合成两类靶向线粒体的近红外比率型H2O2荧光探针。结合单/双光子荧光成像技术将其应用于线粒体内H2O2荧光成像分析，构建线粒体自噬进程及其H2O2水平的可视化监测体系，探索H2O2浓度及时空变化与线粒体自噬各阶段的关联性，为深入了解线粒体自噬机制及探索线粒体病变或相关疾病的早期诊断与病理研究提供理论依据。

线粒体自噬与许多重大疾病的发病机制密切相关，包括神经退行性疾病（如帕金森病、阿尔茨海默症和亨廷顿病等）、心脏病、糖尿病以及肿瘤等。针对线粒体自噬进程的分子机制研究已经成为目前生物医学领域的研究热点。活性氧作为信号分子参与多种诱导自噬的转导途径。然而，作为活性氧重要组分的过氧化氢（H2O2），其浓度与时空分布变化与线粒体自噬之间的关联机制仍缺乏清晰的认识。发展靶向线粒体的H2O2荧光探针对线粒体自噬进程及其H2O2水平进行高灵敏、可视化监测显得极为迫切并具有重要意义。基于此，本项目取得一系列主要结果：1）基于氧杂蒽结构设计合成了近红外H2O2荧光探针，观察到线粒体自噬进程中H2O2浓度逐渐升高，构建了线粒体自噬进程及其H2O2水平的可视化监测体系，为深入了解线粒体自噬机制提供了理论依据。2）基于噻吩-三苯胺体系构建了双氧水和粘度双识别荧光探针，通过双通道荧光成像首次观察到炎症细胞和肿瘤小鼠中线粒体粘度和H2O2水平的同时升高，为研究线粒体相关疾病的可视化诊断提供了潜在的成像工具。3）针对细胞自噬过程中微环境（如粘度、pH等）的变化，拓展发展了一系列近红外线粒体粘度探针，通过粘度变化实现了线粒体自噬过程的可视化动态监测，为自噬相关疾病的病理机制研究提供了可靠的传感工具。此外，构建了溶酶体靶向pH荧光探针，成功通过检测溶酶体pH的变化来有效监测细胞的自噬过程，为细胞自噬监测提供了新方法。4）拓展构建了脂滴靶向极性探针，实现了脂肪肝组织和炎症活小鼠的脂滴极性变化的可视化，并且在癌症患者的手术标本中也成功实现可视化成像，为脂滴相关疾病提供了医学诊断的潜在工具。本项目对从分子水平理解线粒体自噬机制及探索线粒体相关疾病的早期诊断与病理研究具有重要意义。项目的顺利实施将为促进其在生物医学领域的研究提供有效的支持。