寿命成像型锌离子双光子荧光探针的构筑与活体应用

Zn(II) plays vital roles in neurotransmission, gene expression, apoptosis, and so forth.The study of the spatial/temporal distribution and dynamic change of Zn(II) in the body is of great significance to clarify the mechanism of action of Zn(II). The design and imaging of Zn(II) chemosensor has become one of the research hotspots in bioinorganic chemistry. In this project, new Zn(II) selective fluorescence lifetime Lanthanide Chemosensors of high two-photon excitation efficiency was developed from sensitizing chromophore by using ICT fluorophore of electron-withdrawing group as Zn(II) receptor. The biological Zn(II) imaging ability of a new sensor on cell, tissue and zebrafish will be studied. The chemosensor possessing the advantages of two-photon chemosensor and fluorescence lifetime chemosensor, not only can image Zn(II) quantitatively and dynamically, but also can achieve really imaging in vivo for the advantage of low exciting damage and penetrating deeply of two-photon imaging. The development of Zn(II) biochemistry and neural inorganic chemistry will be promoted. This research also provides a good means to clarify the mechanism of Zn(II) metabolism disorders, neurodegenerative disease, and to promote the development of appropriate diagnosis technology.

在人体神经信号传递、核酸识别、细胞生长调节、凋亡等生理过程中锌离子具有重要作用，因此设计高性能锌离子荧光探针实现锌离子时空分布的定量跟踪已成为生物无机领域的研究热点之一。本项目利用镧系离子为信号团结合具有高双光子吸收性能的分子内电荷转移（ICT）型发色团，并修饰ICT发色团的拉电子基为锌离子配位团，设计和合成具有高双光子激发效率的锌离子荧光寿命探针，并利用这些探针研究其在细胞和其他生物样本中对锌离子的寿命成像性能。探针结合了双光子探针和荧光寿命探针的优点，不仅可对锌离子的定量动态成像和跟踪，并可降低成像中的光毒性、提高造影深度，实现活体锌离子造影，可望为锌离子代谢紊乱相关疾病的机制阐明提供良好的研究手段，也为促进锌离子造影的诊疗应用奠定基础。

在人体神经信号传递、核酸识别、细胞生长调节、凋亡等生理过程中Zn2+具有重要作用，因此设计高性能Zn2+荧光探针实现Zn2+时空分布的定量跟踪已成为生物无机领域的研究热点之一。本研究设计合成了两类Zn2+荧光探针。一类是基于ICT机理有机小分子探针，分别以不同的荧光团作为发色团，筛选出3个探针BDP-TPEA、DPBI-BPA、BHP，按照计划研究了三个探针的荧光性能，离子选择性，进一步研究了探针的细胞造影性能。其中探针BDP-TPEA通过对BODIPY荧光团α位的修饰，引入具有4-N，N二甲基-苯乙烯基结构的螯合团，不仅使该探针的最大吸收和发射波长处于近红外区域，而且增加斯托克斯位移。BDP-TPEA实现了对活细胞内Zn2+的比例计量照影实验，证明该探针具有良好的膜通透性，主要分布在细胞的溶酶体和高尔基体上。BDP-TPEA能够进行裸鼠皮下Zn2+的比例计量照影，且能够响应尾静脉注射模式导致体内Zn2+浓度的变化。尾静脉注射BDP-TPEA，BDP-TPEA很快进入小鼠的肝脏，然后到达肾脏、胃，通过肺部、肠道代谢出体外，24小时之后，百分之九十以上的BDP-TPEA都代谢完毕。接着，用2-PBI作为荧光团，构筑了一个新颖的Zn2+荧光探针DPBI-BPA。DPBI-BPA是一个Zn2+结合诱导发射光谱红移的比例计量型Zn2+探针，在HeLa细胞内的比例计量造影实验表明，DPBI-BPA能够应用于细胞内Zn2+的定量检测。最后，构筑了一个新型荧光探针BHP对Zn2+表现出较好的选择性，在识别Zn2+时，不受Cd2+干扰。BHP也实现了细胞中Zn2+的共聚焦成像。这三个探针的荧光寿命都比较短，只有几纳秒，在现有的测定条件下，无法通过寿命成像识别细胞内Zn2+的变化，因此设计了第二类基于金属铱配合物的荧光探针，目前筛选出了1例探针Ir(C^N)2(N^N)-BPA，该探针的荧光寿命为65 ns，与Zn2+的配合物荧光寿命增加到122 ns，可进行细胞内Zn2+寿命成像。本研究为金属离子探针设计提供理论依据和实验基础，小鼠活体成像造影研究也为Zn2+造影的诊疗应用奠定基础。