光学探针的设计及其用于检测肿瘤特异性微环境中氧化还原活性物质的研究

The insufficient supply of oxygen (i.e., hypoxia) and nutrient (e.g. glucose) is the important characteristic of most tumor cells. The hypoxic condition of tumor cells leads to the imbalance of the redox states inside cells, whereas the lack of nutrient results in the over-expression of some important redox-species, both of which promote the alteration of metabolic pathway of cells as well as the.progression and metastasis of tumor cells. Thus, there is an urgent need for scientists to develop some efficient methods that can reveal the changes of important redox-active species in tumor cells. The current proposal will focus on the research of the above topic. Firstly, we will concentrate on the rational design and synthesis of long-wavelength fluorophores with new structures, and then prepare new fluorescent probes by introducing the target-specific reaction group appropriately; secondly, highly sensitive and selective methods will be.established based on the specific reactions of probes with the target; and finally, we will apply these methods to the detection of the related bioactive species such as glutathione, tyrosinase and thioredoxin reductase in tumor cells under hypoxia and nutrient-deprivation conditions. It is hoped that the selective and sensitive detection of these species may provide useful information.for the concentration variation of these species and also find some new phenomena.

大多数肿瘤，尤其是实质性肿瘤都具有氧和营养物质缺乏的特点。氧缺乏导致肿瘤细胞内氧化还原性物质的失衡，而营养物质缺乏则导致一些氧化还原物质的异常高表达，进而引起肿瘤细胞代谢途径的改变。这些都促进了肿瘤细胞的快速生长及恶性转移。因此，迫切需要发展一些有效的方法来对氧和营养物质缺乏状态下肿瘤细胞内及细胞分泌液中重要氧化还原活性物质的变化规律做深入探索。本申请将对此展开深入研究。首先将借助特异的化学反应，设计构建性能优良的荧光探针；利用识别基团对目标物的特异性反应引起荧光信号的改变，实现对目标物的高选择性检测，并尝试用于氧和营养物质缺乏状态下肿瘤细胞内及细胞分泌液或血清中重要的氧化还原活性物种（如巯基物质、酪氨酸酶和硫氧还蛋白还原酶等）的检测研究。通过开展这些氧化还原活性物种在氧和营养缺乏状态下的荧光检测研究，揭示出这些物质在肿瘤生长过程中的变化规律，并发现一些新现象。

本项目通过合理的分子设计，以菁、半菁、萘酰亚胺、新型近红外二区荧光染料等为荧光母体，分别制备了几种重要的肿瘤特异性微环境中氧化还原活性物质如ROS、硝基还原酶、硫化氢以及单胺氧化酶的荧光探针,以实现细胞水平这些生理活性物种的选择性光学传感与示踪检测，从而揭示出这些物质在肿瘤微环境中特定条件（如氧和营养物质缺乏）下的变化规律。首先利用分子转轮策略和•OH的芳香性羟基化作用，以菁染料为荧光母体，设计合成了具有双重功能的荧光探针H-V。该探针可在两个完全不同的光谱区域对•OH和黏度分别给出灵敏的专一性的荧光响应。利用该探针发现细胞铁死亡过程伴随着明显的•OH生成，细胞质黏度增加以及加速的脂滴形成。研究结果揭示了•OH可能是铁死亡过程脂类过氧化的重要原因，并最终导致细胞质黏度的增加和脂滴形成的加速；以萘酰亚胺为荧光母体，通过将ROS响应性的芳基苯硼酸酯连接到荧光团上，制备了ROS激活的硫化氢荧光探针。该供体能通过荧光信号开关对硫化氢的释放进行实时监测，并进行细胞成像，可广泛应用于活细胞中硫化氢的传递和实时监测研究；以单胺氧化酶A抑制剂的特征结构为识别单元，以近红外半菁母体为荧光团，设计合成了对单胺氧化酶A具有高度选择性和灵敏度的荧光探针。该探针对单胺氧化酶A的检测限为4.5 ng / mL，其特异性荧光响应是单胺氧化酶B的13倍，并已用于细胞、斑马鱼和荷瘤小鼠中单胺氧化酶A的活性成像；还利用最新设计的发射波长位于900–1300 纳米的近红外二区荧光母体发展了新的硝基还原酶荧光探针，并用于小鼠肿瘤的活体成像。该探针的打开型荧光响应特征及近红外二区荧光发射使得该探针在活体肿瘤边界界定应用中具有很大的潜力。此外，我们还以半菁为荧光母体，分别设计了可用于氧和营养物质缺乏状态下肿瘤微环境（如pH、极性）检测的比率型荧光探针，并将其用于细胞自噬过程中pH或极性变化的比率成像。