变型受体金属离子荧光探针开发及活体细胞荧光成像应用

Fluorescent probes to interrogate metal ion availability and spatial distribution as well as concentration within living cells would greatly advance our understanding of cellular metal homestasis.However, specific binding selectivity for interest metal ions is still a challenge for fluorescent probe design.The lower affinity of most reported probes for target results from the moderate coordination nature of target metal ion with the chelators, which have a defined coordination pattern and show larger affinities to these competitive metal ions.Most receptors in existing host-guest chemistry have a confined binding 'cavity'. Due to a single binding pattern, high specificity to an analyte is extremely difficult to achieve. In order to make analyte-binding specific and more favorable, it would be beneficial if the binding pattern of the receptor with analyte is different from that with other competitors. In other words, the receptor is transformable to bind the analyte of choice, that is transformable receptors.In our previous study, we find tautomerization may play the role of a transformable factor (JACS,2010,601). The amide-containg DPA receptor ZTF and naphthalimide-derived fluorescent probe ZTRS show extreme selectivity for Zn2+. The specificity for Zn2+ comes from its different binding modes to metal ions, i.e. it binds Zn2+ in an imidic acid tautomeric form of the receptor but most other metal ions are bound in an amide tautomeric form.In this study, based on the sucessful application of 'transformable receptor' concept, we will develop a series of ZTF-derived near infrared fluorescent probes with the ability of organelle-targeting imaging. Also,guided by this novel concept, we will extend our research to make transformable fluorescent probes for other metal ions.

荧光探针检测活体细胞内金属离子的分布和浓度变化对理解细胞内金属离子稳态具有极其重要意义。然而小分子金属离子荧光探针在结合选择性方面存在难以克服的缺陷，比如由于人造受体构型和结合方式一定，探针只能依靠金属离子自身的配位能力不同而表现出结合选择性。为了对配位不利的目标金属离子具有特异的结合选择性，受体最好能够对客体具有区别于一般的结合方式。换句话说，受体能够针对不同的金属离子变换构型来提高结合选择性，即变型受体。最近申请人利用酰胺的互变异构作为变型因子来设计变型受体ZTF（JACS,2010,601），发现ZTF以酰胺的形式结合其他金属离子，而对锌离子却是以其亚胺酸的形式结合并表现出对最大结合力。本研究以此为基础开发一系列ZTF衍生的近红外锌离子变型荧光探针，研究锌离子在不同细胞的亚细胞器中的分布和浓度变化。并以变型受体为核心思想开发其他金属离子变型受体荧光探针。

微量金属元素与生理健康和疾病的发生发展密切相关，其中金属离子在细胞内的分布和稳态变化对理解金属离子的作用具有极其重要意义。目前，小分子荧光探针是研究活细胞内金属离子的最有力工具。然而，这些小分子金属离子荧光探针在结合选择性方面存在难以克服的缺陷，比如由于人造受体构型和结合方式一定，探针只能依靠金属离子自身的配位能力不同而表现出结合选择性。为了对配位不利的目标金属离子具有特异的结合选择性，受体最好能够对客体具有区别于一般的结合方式。换句话说，受体能够针对不同的金属离子变换构型来提高结合选择性，即变型受体。前期工作利用酰胺的互变异构作为变型因子来设计锌离子受体，实现了对锌离子的专一结合选择性。本项目是基于前期发明的变型受体锌离子荧光探针所具有的专一结合选择性提出的，目的是利用变型受体的概念，理解酰胺和亚氨酸互变异构受影响的环境因素和机理，并利用对机理的理解创造针对不同金属离子的新型荧光探针，应用于细胞的检测。在项目执行期间，我们进行了变型受体与金属离子络合引起互变异构变型的机制探讨、针对不同金属离子的变型受体荧光探针的开发、引起酰胺类变型受体开关变化的因素筛选及机制探讨、锌离子荧光探针用于前列腺癌早期诊断、变型受体应用蛋白标记和识别、小分子荧光团荧光性能改进等方面的工作, 理清了酰胺-亚氨酸互变异构的影响因素，在锌离子受体具体实例中剖析清楚了受体变性的机理，以此为基础开发针对不同金属离子和蛋白的变型受体荧光探针，取得了一批有特色、有影响的成果，发表论文19篇，申请专利18项，包括1篇Chem. Rev., 1篇Chem. Soc. Rev., 1篇JACS，3篇Chem. Commun., 1篇Org. Lett., 1篇JPCC，1篇Sci. Rep.。