基于氟硼二吡咯（BODIPY）类染料的生物硫醇荧光探针的研究进展.pdf

由于生物硫醇的荧光探针能够更好地理解与生物硫醇种类有关的各种生理和病理过程，因此引起了人们越来越多的兴趣。氟硼二吡咯（BODIPY）荧光团显示出出色的光学性能，可以通过在BODIPY 核心的各个位置引入各种功能单元来轻松定制这些荧光团。系统地总结了基于 BODIPY 的荧光探针用于生物硫醇检测的开发，重点是优先检测单个生物硫醇。关 键 词：氟硼二吡咯；生物硫醇；荧光探针 中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）08-1197-04 生物硫醇包括半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）、还原性谷胱甘肽（GSH）和硫化氢（H2S），在生物系统中起着至关重要的作用1。硫化氢作为最简单的生物硫醇，是通过酶过程和非酶过程内源性产生的2。硫化氢水平异常可能导致各种问题，如亨廷顿氏病、帕金森氏病和阿尔茨海默氏病3。异常水平的 Cys 对肝损伤、皮肤损伤、毛发脱色、生长缓慢、癌症等均有影响4。Hcy 一直被认为是心血管疾病和阿尔茨海默病的危险因素5。GSH 是细胞内最丰富的生物硫醇（110 mmolL-1），由于其独特的氧化还原特性和亲核性，在人类健康和疾病中发挥着关键作用6。因此，检测和监测生物硫醇的水平对于理解生物硫醇在生理和病理过程和诊断中的功能非常重要。荧光成像是监测生物环境中的目标和生物过程的强大技术，特别是由于其高灵敏度、优秀的时空分辨率和活细胞中分析物的传感和相当简单的技术实现7-8。确保对复杂的细胞内感兴趣的分析物的高度选择性和敏感的反应，发生不同类型反应的介质是荧光探针设计的关键要求。在过去几年里，基于反应的探针（被称为“化学剂量计”）已经被广泛应用于生物成像研究中，具有代表性的化学剂量计由荧光团组成，与官能团连接，官能团作为分析物的特定反应位点。在基于反应的生物正交反应中，分析物特异性生物正交反应的可见光信号大多是不可逆的9-12。氟硼二吡咯（BODIPY）染料（图 1）具有许多独特且令人满意的性质，如高摩尔吸收系数、良好的荧光量子产率、优秀的化学和光稳定性、低溶剂的敏感性以及 pH 不敏感，此外它们的荧光性能可以很容易地通过对其结构的轻微修饰来调节13-17。图 1 BODIPY 核心的分子结构 1 基于 BODIPY 的生物硫醇探针 1.1 硫化氢的选择性探针 基于荧光分子探针的荧光成像因其良好的选择性、高灵敏度、小生物样品损伤和实时原位检 测18-19，为检测硫化氢等小生物分子提供了一种有吸引力的方法。有机小分子探针的反应模式与硫化氢主要来自以下方面：硝基、羟胺或叠氮化物的还原20；亲核加成反应21；金属硫化物的沉淀反应22；间-二硝基苯醚的硫解反应23；二硝基苯磺酰基基团的裂解24。以硝基和二硝基苯醚为反应基团的光子诱导电子转移（PET）探针由于其设计、合成和实际应用简单，表现出优异的性能。ZHU25等设计合成了两种不同的探针，包括以硝基为活性基团的 DMONPB和以 m-二硝基苯醚为活性基团的 DMOEPB。DMONPB 和 DMOEPB 分别获得了 51 nm 和 49 nm的斯托克斯位移。DMONPB 可以与 H2S 反应形成衍生物（图 2），其荧光量子产率为 0.13。在 H2S 浓1198 辽 宁 化 工 2023 年 8 月 度为 0800 molL-1的范围内观察到极好的线性关系，检出限为 1.3molL-1。此外，它可以成功地应用于细胞和组织中 H2S 的成像。对于 DMOEPB，由于 m-二硝基苯醚没有与 BODIPY 荧光团相连，且硝基荧光团的吸电子效应不能有效地影响BODIPY 荧光团的荧光强度，因此 DMOEPB 不能应用于硫化氢的生物成像。当两个苯环在 8 位分开且不与荧光团共轭时，硝基的强吸电子性能明显 减弱。图 2 探针 DMONPB 与硫化氢的反应机制 保罗26等报道了一种用于选择性检测硫化氢的探针，该探针通过叠氮化物转化为胺的化学反应检测硫化氢。探针 1 的检测限为 0.17 molL-1。当在 pH 值为 7.4 时加入 NaSH 时，探针的荧光强度降低了 9 倍。当探针在检测外源性硫化氢时，对装载探针 1 的正常人口腔成纤维细胞灵敏度高、特异性高、毒性最小。该探针可用于硅板条上，以检测生锈水管中的硫化氢或存在其他分析物的废水中的硫化氢，也可检测 NHOF 细胞中的外源性硫化氢。GONG27等报道了一种基于苯基硒取代基的BODIPY 荧光关闭传感器 BOD-PhSe，其目的是基于在 3 位的苯基硒化物基团与 H2S 的取代反应，以实现出色的 H2S 检测选择性和灵敏度。过量添加硫化氢促进了探针 5 位上苯硒化物基团的进一步取代，并伴随着荧光发射强度的进一步降低。传感器表现出非凡的性能，在更长的激发波长下，红色荧光 强 度 降 低 了 49 倍，检 测 限 比 较 低，为 0.002 5 molL-1，并且对 H2S 的特异性荧光响应在中性介质中超过阴离子、生物硫醇和其他氨基酸。它无明显的细胞毒性，有良好的膜通透性，已被广泛用于细胞内 H2S 检测和荧光显微镜成像。1.2 半胱氨酸的选择性探针 荧光探针因其简单性、灵敏度、实时性、无损成像特性而引起了人们的极大关注，用醛或丙烯酸酯环化、天然化学结扎（NCL）和芳香族取代-重排检测 Cys。GAO28等设计并开发了 1,7-二甲基,3,5-二芳基取代的 BODIPY 及其构象限制性物种，其中 含 有 中 芳 基 巯 基 部 分（DM-BDP-SAr）和（DM-BDP-R-SAr）作为 Cys 的选择性荧光探针。此外，还开发了基于 DM-BDP-SAr 的溶酶体靶标探针 Lyso-S 和 Lyso-D，分别携带 1 个或 2 个吗啉乙氧基部分。他们能够在体外选择性地检测 Cys，且检测限较低。Lyso-S 和 Lyso-D 都能很好地定位于活的 HeLa 细胞的溶酶体中，并显示出 Cys 的红色荧光。此外，该课题组通过密度泛函理论（DFT）的计算，提出了一种新颖的荧光猝灭机理。探针可以通过系统间的交叉（从单线态激发态到三线态激发态）来导致荧光猝灭。LI29等设计了一种名为 NIR-BODIPY-Ac 的NIR 荧光探针。在探针中，将引入 BODIPY 核心形成 NIR BODIPY 荧光团，以丙烯酸酯基团作为识别位点（图 3）。探针的发射波长为 708 nm，属于 NIR区域，适用于体内生物成像。此外，该探针在添加Cys 后表现出高荧光量子产率（=0.51），并对 Cys具有高灵敏度，荧光增强 81 倍。Cys 探针的线性范围为 0.230 molL-1，检测限为 0.05 molL-1。此外，由于探针与 Cys 之间的反应速度比 Hcy 更快，因此探针对 Cys 显示出高选择性。尤其是将近红外荧光探针应用于细胞、组织、小鼠等生物样品中外源性和内源性 Cys 的检测，取得了令人满意的结果。图 3 探针 NIR-BODIPY-Ac 与 Cys 的反应机制 1.3 谷胱甘肽的选择性探针 GSH 响应荧光传感器主要基于亲核芳香取 代-重排反应，具有不稳定取代基的探针与生物硫醇通过亲核芳香取代物反应形成硫醚。HUANG30等设计并合成了一种用于谷胱甘肽特异性检测的近红外 开 启 双 光 子 荧 光 探 针 ST-BODIPY，通 过Knoevenagel缩合将三苯胺连接到BODIPY骨架上，延长 NIR 区域的最大发射波长。2,4-二硝基苯磺酰基（DNBS）作为荧光猝灭剂和硫醇识别部分，在BODIPY 的 8 位进行修饰。在 GSH 存在的情况下，探针提供了“开关”信号响应，在 719 nm 中心的NIR 荧光增强，量子产率增加到 0.44，这归因于谷胱甘肽诱导的芳香族亲核取代反应（芳香取代）反应。此外，ST-BODIPY 探针已成功用于监测 MCF-7细胞中外源性和内源性的 GSH。第 52 卷第 8 期 雷圆：基于氟硼二吡咯(BODIPY)类染料的生物硫醇荧光探针的研究进展 1199 WANG31等报道了一种新型的近红外（NIR）荧光探针 BODIPY-ONs，可用于灵敏和选择性地检测谷胱甘肽（GSH）。以 2,4-二硝基苯磺酰基团（DNBS）为猝灭基团的探针无荧光活性。加入谷胱甘肽后，在 656 nm 为中心的 NIR 荧光恢复明显，量子产率增加到 0.48，而其他缺乏硫醇的氨基酸没有产生任何变化。与 Cys 和 Hcy 相比，BODIPY-ONs对 GSH 的反应最高。通过滴定实验计算出 GSH 的检测限（LOD）为 131 nmolL-1。提出了 GSH 诱导的含膦酸盐的裂解方法，并得到了质谱分析和HPLC 分析的支持。进一步的理论计算表明，BODIPY-ONs 能够从 Cys 和 Hcy 中区分 GSH 的原因是一个分子间氢键辅助的硫解过程。此外，探针BODIPY-ONs 也可用于活细胞中内源性和外源性GSH 的检测。1.4 同型半胱氨酸的选择性探针 HAN32等开发了一个BODIPY荧光探针DCB，其中 位的吸电醛基作为活化基，和 位置的 2 个氯原子分别作为反应位点。DCB 探针容易通过芳香族亲核取代反应机制被一侧的氯原子或两个巯基取代，这也能够进行氨基重排反应，这取决于 3 种生物硫醇的不同反应性和反应结构。利用这种双位点结合特征和独特的反应动力学和序列，该探针能够通过比值荧光响应模式有效地区分 Hcy、Cys和 GSH。特别值得一提的是，Hcy 的高选择性和定量检测可以在 50 s 内实现，这是迄今为止报道的Hcy 探针中反应最快的。此外，由于其细胞毒性低，细胞通透性好，抗干扰后，探针能够实时成像和定量分析活神经元的细胞内 Hcy。2 结 论 BODIPY 荧光团具有优异的光学特性，可以通过在BODIPY核心的不同位置引入不同的功能单元来很容易的定制。本文系统综述了基于 BODIPY 的检测生物硫醇的荧光探针的研究进展。BIDOPY 部分的平面结构可能通过在极性环境中的-堆积引起聚集，并导致聚集引起的猝灭（ACQ）。为了提高 BODIPY 探针的溶解度，经常使用有机溶剂，这些有机溶剂会干扰生物样品和亚细胞微环境。因此，开发具有更好溶解度和避免 ACQ 的 BODIPY 探针是未来非常需要的。事实上，在复杂的生物系统中，设计针对生物硫醇的分化的探针仍然存在挑战，特别是对于 Hcy。探针检测实际生物样本中的生物硫醇可能会受到不同类型细胞中不同水平表达的单个生物硫醇的干扰。需要探索新的识别机制和具有更高特异性和敏感性的新探针。参考文献：1 YANG Y,ZHANG L,ZHANG X,et al.A cysteine-selective fluorescent probe for monitoring the stress response cysteine fluctuationsJ.Chemical Communications,2021,57(47):5810-5813.2XIE P,ZHU Y,WANG Y,et al.A fluorescent probe for discrimination of cysteine/homocysteine,glutathione and hydrogen polysulfidesJ.Research on Chemical Intermediates,2020,47:1-16.3JIA X,LI W,GUO Z,et al.An NBD-based mitochondrial targeting ratiometric fluorescent probe for hydrogen sulfide detectionJ.ChemistrySelect,2019,4(29):8671-8675.4CHEN Y,WANG Y,WU X 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emphasis on the priority detection of individual biological thiols.Key words:Bipyrrometheneborn difluoride(BODIPY);Biological thiol;Fluorescent probe （上接第 1167 页）Discussion on Chemical Pipeline Design and Material Grade Selection GUAN Ya-nan(Wood Zone Co.,Ltd.Liaoning Branch,Shenyang Liaoning 110004,China)Abstract:With the rapid development of industry in China,all chemical companies have realized the importance of pipeline design and material selection.In this paper,the chemical pipeline design and material selection principles and reference basis were analyzed.At the same time,the selection of heat-resistant pipelines,low-temperature pipelines,high-temperature pipes,caustic soda lye pipes,sulfuric acid pipes,ceramic pipes,and other pipes was also analyzed,so as to help staff to select suitable pipe.Key words:Chemical pipeline design;Material grade;Selection