具有线粒体靶向及强双光子吸收的NO荧光探针的设计合成及其在活细胞中双光子荧光成像的应用

As one of important biological signaling molecules, nitric oxide (NO) plays key roles in many biological processes. NO fluorescent probe is the main tool to determine the amount of NO in biological systems. To develop novel two-photon NO probes with high selectivity and sensitivity will promote the studies on biological functions of NO. Here we propose to design and synthesize a series of novel two-photon NO probes based on the ladder-type tetraphenylene core. The probes will be excellent two-photon NO probes due to their good water-solubility, selective targeting to mitochondria, large two-photon absorption (TPA) cross-sections, high selectivity and high sensitivity. The synthesis and characterization, photophysical properties of these NO probes will be investigated. The application of the probes in NO detection in living cells will also be carried out. In order to provide basic theories and experimental data for the design and synthesis of two-photon NO probes with large TPA cross-sections, the relationships between the molecular structures and TPA cross-sections as well as sensitivity of the probes will be researched systematically. Compared to common one-photon NO fluorescent probes, our probes have salient advantages of large TPA cross-sections, good water-solubility, selective targeting to mitochondria, and capability of being excited by long wavelength infra-red light during the two-photon imaging of NO.

作为生物体中重要的信号分子之一，一氧化氮（NO）在很多生物过程中起着重要的作用。目前NO荧光探针是检测生物体中NO含量的最有力的工具，因此开发出高选择性、高灵敏度的新型NO双光子荧光探针对于推进NO的生物学功能研究具有重要的意义。本项目创新性地提出一类基于梯形芳香寡聚物的NO双光子荧光探针的设计与合成。该类材料具有良好的水溶性、线粒体靶向性、很大的双光子吸收截面、高选择性和高灵敏度，是良好的NO双光子荧光探针。项目将围绕这类NO双光子探针的合成与表征、光物理特性及其在细胞内检测NO等内容展开研究。同时，研究该材料分子结构与双光子吸收特性、灵敏度之间的关系，为具有大双光子吸收截面的NO双光子探针的设计合成提供重要的理论和实验依据。与常见的NO单光子荧光探针相比，这类新型探针具有明显的优势：很大的双光子吸收截面，良好的水溶性及线粒体靶向性，可以使用长波长的红外光对NO进行双光子成像检测。

一氧化氮（NO）荧光探针由于具有使用仪器简单、灵敏度高和成像分辨率高等优点已越来越被关注。具有长波长（>650 nm）发射的荧光探针在生物成像时可以减少样品自发荧光的干扰，从而提高成像分辨率。而且，以近红外光（>700 nm）为激发光源的双光子显微成像可以进一步减小背景荧光的干扰和对样品的光损伤。然而，目前已报道的NO荧光探针，仍存在发射波长较短、低的双光子活性或者不具有生物靶向性等问题。.本项目针对这些问题，围绕设计合成结构新颖、性能更优的双光子NO探针及其在生物成像中的应用展开研究。主要内容包括：1）双光子探针材料的设计合成；2）探针材料荧光性能的研究。3）探针在细胞及组织中对NO荧光成像的应用研究。.本项目取得的重要结果和关键数据包括：1）合成并表征了具有长波长发射基于尼罗红的双光子探针。该探针合成简单，对NO具有高的选择性和快速响应。探针在水溶液中对NO的响应时间约为40秒，在细胞中约为8分钟。探针具有低至9 nM的检测下限。探针可以用近红外光在活细胞及组织中对外源或内源NO进行双光子成像检测。2）合成并表征了具有线粒体靶向的双光子探针。探针检测机理较新，对NO具有高选择性、灵敏度（检测下限在nM水平）和线粒体靶向。探针成功实现在细胞水平检测NO。3）发表SCI收录论文3篇（已标注，影响因子均 >4.0）。.本项目成功设计了几例高灵敏度的NO双光子探针，探针有望对人们研究NO的生物功能有帮助，该研究可以为新型NO双光子探针的设计及其生物应用提供理论支持和实验参考。