基于上转换荧光的可逆氧化还原探针的设计构建及应用

Continuous monitoring of the dynamic variation of intracellular reversible redox status, which provides abundant physiological and pathological information, is valuable. Being convenient, noninvasive and visualizable, fluorescent probes are powerful tools to monitor substances and biochemical reactions in real time in living cells or organisms. Although current organic small molecule probes are used for reversible regulation, they are unsuitable for long observation in cells or in vivo, because of their low photostability and susceptibility to photobleaching. Upconversion nanoparticles (UCNPs) excited by near infrared feature outstanding photostability, deep penetration of excitation light, and low background signals from biological specimens. But UCNPs incapable of reversible regulations of response. To overcome these defects, this project aims to explore recognition moieties acting as both the energy acceptor and the reversible target responder to win the challenge of dynamic monitoring the redox states in life systems. New reversible redox probes will be constructed by combining the recognition moiety and upconversion nanoparticles, and applied to monitor the dynamic variation of redox status in living cells and organisms for long observation in real time, as well as to research the variation of redox status in specific life process. This project will pave a new way to construct reversible redox probes and boost the biomedical application of these probes.

细胞内氧化还原状态的动态变化可以提供丰富的生理、病理信息，长时间动态监测细胞内氧化还原状态的变化具有重要意义。荧光探针具有简便、无损、可视化等优点，是活细胞/活体内化学物质及生物化学反应过程实时监测的有力手段。然而，现有有机小分子探针虽可用于可逆调控，但光稳定性差、易于光漂白，不利于细胞及活体内的长时间观测；近红外激发的上转换荧光纳米材料（UCNPs）具有优异的光稳定性，且兼有光学穿透深度大、生物样品背景信号低的优点，但其自身不具备可逆调控响应信号的能力。为克服上述缺陷，解决生命体系氧化还原状态动态监测的难题，本课题拟探索兼具能量受体功能及目标可逆响应功能的有机识别单元，与UCNPs组装构建新型可逆氧化还原探针，应用于细胞及活体内氧化还原状态动态变化的长时间实时监测，并研究特定生命过程中氧化还原状态的变化。本课题研究将为构建可逆氧化还原探针提供一种全新的思路，并促进这类探针的生物医学应用。

细胞内氧化还原状态的动态变化可以提供丰富的生理、病理信息，长时间动态监测细胞内氧化还原状态的变化具有重要意义。稀土纳米颗粒(LnNPs)的近红外激发、反斯托克斯发射特性，使其在生物医学分析中具有独特优势，如生物样品自发荧光低、样品穿透深度大等，因此，可为监测细胞内氧化还原状态提供有力手段。由于稀土纳米颗粒的结构及光物理特性，构建可逆型稀土荧光纳米探针存在如下几个关键问题：1）自身不具备可逆调控响应信号的能力；2）稀土离子吸光能力弱导致发光效率低；3）缺乏灵活的信号调控机制，使得分析性能的提升面临瓶颈。这些问题严重制约了稀土纳米颗粒在生物医学领域的深入研究和应用。针对上述问题，本项目开展了如下研究：i）构建可逆探针，对体内特定目标物实现长时间可逆检测；ii）发展兼具能量受体及目标响应功能的有机识别单元，构建比率型上转换荧光纳米探针，实现体内特定目标物的定量检测；iii）探索水相中天线敏化LnNPs发光条件，有效提高LnNPs上/下转换发光亮度；iv）发展新型探针构建和传感原理，解决缺乏NIR-II稀土荧光纳米探针激活策略的难题，实现活体内高分辨率、高对比度生物成像；v）将构建的稀土荧光纳米探针应用于脑成像，为脑疾病诊断监测提供有效手段。上述研究取得一系列系统性和创新性的成果，为基于LnNPs的荧光分析方法学发展扫清了一些关键障碍，同时将有力地推动其在生物医学领域的广泛应用。部分研究成果发表在Analytical Chemistry, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Today等本学科核心学术期刊上。