可逆型近红外氧化还原荧光探针的合成及生物应用

Dynamic redox changes in vivo are closely related with many physiological and pathological processes. Monitoring redox changes in real-time, fast respond, and dynamic method plays an important role in revealing various biological phenomena. Here in, novel reversible NIR redox fluorescent probes with excellent luminescent properties, high signal-to-noise ratio and good biocompatibility, will be designed and synthesized. These probes, including non-selective and selective types, combine the excellent photophysical properties of SiR/GeR dyes, including NIR emission, efficient photoinduced electron transfer (PET) mechanism and redox activity, with the high sensitivity and selectivity of redox response of Se/Te functional groups. Their application in fluorescence imaging analysis for dynamic changes of the whole oxygen pressure and specific redox cycles in vivo and cells will be explored. We believe these newly developed reversible NIR redox fluorescent probes will provide effective tools for studying occurrence and development mechanisms of redox-based physiological and pathological phenomena, conducing to the prevention and treatment of redox-related serious diseases.

生物体内氧化还原的动态变化与各种生理、病理现象密切相关，因此实时、快速、动态检测氧化还原变化对揭示各种生命现象具有举足轻重的作用。本申请项目将利用SiR/GeR染料的近红外发射、高效的PET调控机制和氧化还原活性等特点，结合Se/Te官能团高灵敏度的氧化还原响应性和选择性，设计合成发光性能优良的、信噪比高的、生物相容性好的非选择性和选择性可逆型近红外氧化还原荧光探针，并将其用于活体和细胞内整体氧压环境和特定氧化还原对动态变化的荧光成像分析，从而为揭示基于氧化还原变化的各种生理、病理现象发生、发展的机制研究提供有效手段，进而为重大疾病的预防与治疗提供依据。

细胞内氧压环境的改变和活性氧或还原性物种的变化与生命体多种生理现象和病理机制紧密相关，开发适用于生物体内氧化还原活性物种的高选择性动态监测方法对揭示氧化应激、抗氧化修复等生命现象具有重要应用价值。在该项目研究中，设计并合成了系列硅/锗取代的派洛宁类可逆型近红外氧化还原荧光探针SiPs/GePs，系统研究了其光物理和化学性质，发现并阐释了其与硫醇的可逆型加成反应机理，并基于还原性硫醇/活性氧物种对SiPs/GePs荧光强度的可逆调控机制，开发了细胞内氧压环境的动态分析方法；制备了具有双重识别位点的可逆型近红外氧化还原探针，研究了其对亚硝酰和还原性谷胱甘肽-氧化性谷胱甘肽（GSH-GSSG）可逆体系的分析性能，建立了GSH-GSSG体系在亚硝酰氧化应激下的动态监测方法；合成了10余种高选择性的氧化还原荧光探针，研究了其对特定活性氧物种（如双氧水、过氧化亚硝酰和次氯酸等）和还原性物种（如谷胱甘肽、半胱氨酸和硒代半胱氨酸等）的分析性能，在细胞或亚细胞水平建立了特定氧化还原活性物种的高灵敏度和专一性分析方法。此外，辅助开展了细胞内相关目标物（如碱性磷酸酶、甲醛、一氧化碳等）的荧光分析、癌细胞的靶向成像诊断和药物传输治疗、串联刺激响应型药物输送系统等研究工作。所获研究成果为揭示生命体氧化还原活性物种的产生、转移和作用机制提供了有效工具，也为研究氧化应激、抗氧化修复等生理机制提供了有效手段。