对生物巯基化合物及其相关活性物质具有双重识别因子的光学探针的构建及应用研究

The purpose of this project is to develop fluorescent probes with double molecular recognition moieties for biothiols and their related reactive species. The chemosensing system is designed by introducing tandem (or synergistic) molecular recognition reactions based on the structural and chemical characteristics of analytes. The fluorescence signal is then manipulated by the above molecular recognition events, and thus specific detection of target molecules are realized. Based on the above mechanism, the novel near infrared (NIR) fluorescent probe for biothiols (cysteine, homocysteine and reduced form glutathione) and their related reactive species (S-nitrosothiols and hydrogen sulfide) are developed by incorporating double molecular recognition moieties with benzoxanthene dyes. In this way, the highly selective and sensitive NIR probes for the above target molecules can be developed, which facilitates the visualizing study of above molecules in cells and organisms and affords useful tools for biomedical research, diseases diagnosis and drug screening, et al. Compared with the traditional single molecular recognition mode, the chemosensing system with double recognition sites shows excellent selectivity for analytes. In addition, the present study will provide new strategy for differentiating structurally similar molecules and can broaden the application of optical probes in the field of life science.

本项目拟根据生物巯基化合物及其相关活性物质的结构及化学特性，将两个相互串联（或相互协同）的分子识别反应引入光学传感体系中，利用双重的识别反应来识别目标分子，借此调控检测体系的荧光信号，从而实现对目标分子的专一检测。根据上述原理，将苯并氧杂蒽类染料的荧光特性和生物分子的专一识别反应有机结合，构建对生物巯基小分子（半胱氨酸、高半胱氨酸、还原型谷胱甘肽）及其相关活性物质（S-亚硝基硫醇、硫化氢）具有双重识别因子的近红外光学探针分子，发展用于检测生物体系中这些活性物质的高灵敏、高选择性分析方法，提高人们对这些活性分子在细胞水平上直接观测和定量表达的能力，为生物医学研究、疾病诊断、药物筛选等方面提供有用的工具。与传统的单一识别模式相比，本项目在光学传感体系中引入两个识别因子，显著提高了探针的选择性。同时，本研究为结构性能相似分子的分辨检测提供了新的思路，拓宽了光学探针在生命科学领域的应用。

生物体内含硫的活性物质包括硫醇小分子（半胱氨酸、高半胱氨酸和还原型谷胱甘肽）、硫化氢、二氧化硫、多硫化物（H2Sn，n>1）等，这些生物巯基小分子及其相关活性物质在生物体内发挥着重要的作用。因此建立适时、灵敏检测生物体系中这些活性硫类物质的方法,对于进一步的研究其在生物体内的产生机制、作用机理等方面具有非常重要的意义。本研究中我们利用双重的识别反应识别目标分子，借此调控检测体系的荧光信号，从而实现对目标分子的专一、灵敏检测。基于这一思路，本研究中我们将自然化学连接反应与荧光染料分子的分子内螺环化反应有机结合，构建了对半胱氨酸/高半胱氨酸和还原型谷胱甘肽具有双重识别因子的光学探针分子；将激发态分子内质子转移原理与亲核加成-环化反应原理相结合，构建了对及其相关含硫活性物质（H2S和H2Sn）的具有双重识别因子的光学探针分子；将激发态分子内质子转移原理与亲核加成反应相结合，构建了SO2的具有双重识别因子的光学探针分子。本研究成功开发了用于检测生物体系中这些活性硫类物质的高灵敏、高选择性的荧光探针分子，并成功将这些分子应用于细胞内活性硫类物质的荧光成像分析。本研究为可原位、适时、动态监测生物体内这些生物活性分子的提供了新的分析方法，为真实、全面地反映其在生物体内变化的时空动态过程, 为生物医学的在体实时研究提供了有用的工具。同时，本研究为结构、性质相似分子的分辨检测提供了新的思路，为光学探针的分子设计提供新的思路和方法。