“青蒿素-硅基罗丹明”复合物探针分子用于青蒿素抗疟作用机制研究

Malaria, one of the three major infectious diseases worldwide, remains a severe threat to human health and causes hundreds of thousands of deaths yearly. Artemisinin (Qinghaosu) and its derivatives are the most potent drugs for the treatment of malaria clinically. Nonetheless the mechanism of action of artemisinin has remained elusive. “Artemisinin-fluorophore” complex is a powerful tool for studying the mechanism of biological action of artemisinin. However, the fluorescent signals of the reported “artemisinin-fluorophore” probes cannot be controlled, which limits the application of the probes. In order to clarify the mechanism of action of artemisinin, the fluorescence controllable near-infrared (NIR) probes, “artemisinin-silicon rhodamine” (ART-SiRBs) complex are designed. Inside the parasite, the carbon-centered radicals derived from activated artemisinin can be covalently bonded to biological molecules, which can disaggregate the non-fluorescent ART-SiRBs aggregates and turn on the NIR fluorescence emission. ART-SiRBs can be employed to analysis the cellular localization of the activated artemisinin in high spatial and temporal resolution, which can provide intuitive and accurate information for clarifying the mechanism of action of artemisinin.

疟疾是危害人类健康的世界三大传染性疾病之一，每年导致数十万人死亡。青蒿素及其衍生物是目前临床上治疗恶性疟疾最有效的药物，但其作用机制尚不明确。“青蒿素-荧光团”复合物是研究青蒿素抗疟作用机制的有力工具，然而现有“青蒿素-荧光团”探针分子均无法实现荧光信号的调控，在应用过程中存在很大局限性。为了进一步直观地阐明青蒿素的作用机制，本项目拟设计合成得到荧光信号可调控的近红外“青蒿素-硅基罗丹明”（ART-SiRBs）复合物荧光探针分子。在疟原虫细胞内，青蒿素活化后生成的碳中心自由基能够与细胞内生物分子共价结合，可以使无荧光的探针分子ART-SiRBs聚集体发生解聚，同时产生近红外荧光信号。荧光探针分子ART-SiRBs能够以较高的时空分辨率检测活化后青蒿素在疟原虫内的分布情况，为我们进一步阐明青蒿素抗疟作用机制提供直观准确的信息。

通过本研究，开发了一条新的SiR-COOH合成路线，使用5-甲氧甲酰基苯酞为原料制备得到关键中间体2-醛基-4-甲氧基羰基苯甲酸，继续与硅基中间体反应，最后经水解脱除甲酯保护基，得SiR-COOH。该方法反应原料易得，反应效率高，适于大量制备。该方法可为开发基于SiR-COOH的荧光探针分子提供物料保障。该成果申请发明专利1项（专利申请号：202010602389.2）。在“青蒿素-硅基罗丹明”（ART-SiRs）复合物荧光探针分子合成过程中，使用先制备活化酯，进一步与胺基反应的策略，提高了反应效率。将不同连接子与更易制得的青蒿素部分中间体ART-NHS连接后，再与硅基罗丹明荧光团部分中间体SiR-NHS连接，提高了反应效率，成功合成得到4个ART-SiRs探针分子，其结构均经1H NMR、13C NMR及HRMS进行确证。进一步对ART-SiRs光谱性质进行了研究，结果表明，连接子结构的差异会很大程度上影响探针分子的光学性质，为我们下一步设计基于硅基罗丹明“聚集-解聚”诱导荧光信号“关-开”的探针分子具有重要指导意义。在含SDS缓冲液中，ART-SiR-3信号增强近30倍，被确定为候选探针分子，可用于进一步研究。然而，活细胞成像研究效果并不理想，需进一步改进成像条件或优化探针分子结构。