基于花菁结构的硫化氢响应性分子探针的设计、合成及其生物应用

发布时间：2020-10-13 04:19

　　 花菁类染料是被研究的最多的一类商业化有机染料,在科学、技术工程、生物医药等各领域都有广泛的应用。花菁及其衍生物具有优异的光物理学性质,如高摩尔吸收系数,高荧光量子产率、相对较长的吸收和发射波段,使其成为一种优秀的光学成像平台,可用作生物成像和传感研究中的荧光/光声成像探针。近些年来,利用花菁染料的光学和化学反应活性开发用于生物相关分子的检测和特定生理过程的实时可视化的响应性分子探针,逐渐成为人们研究的热点。目前大量基于花菁平台(尤其是花菁、半花菁、方酸菁类结构)的响应性分子探针的已经被报道用于生物活性分子、生理和病理微环境等的成像与传感。然而,相关方向的研究仍然存在着一些问题和不足。在结构设计方面,花菁类染料本身较低的光稳定性亟需改善;一些探针的激发和发射波长相对较短限制其生物应用;并且目前大多数探针都是基于荧光机制的,需要开发基于其它成像模式的新型探针。在应用方面,用于亚细胞成像和体内成像的花菁类分子探针仍十分有限,同时花菁类染料在医学诊断和疾病治疗中的应用研究也需要进一步开发。因此开发具有高稳定性和新型成像模式的响应性花菁分子探针,将极大地促进相关的生物医学技术的发展。本文旨在通过结构设计,开发具有近红外吸收、高稳定性的新型响应性花菁类分子影像平台,并研究其在从亚细胞到活体的生物成像和肿瘤诊疗中的应用。具体研究内容如下:1、半花菁染料修饰的上转化纳米粒子用于线粒体硫化氢比率成像的研究本章中我们设计并合成了一种同时具有硫化氢(H_2S)响应和线粒体靶向特性半花菁衍生物分子探针TPAMC,并将其与上转换纳米粒子(UCNPs)结合开发了基于酸激活线粒体靶向策略的比率型上转换发光纳米探针,用于检测线粒体中的H_2S并对其进行实时成像。TPAMC修饰的上转换纳米粒子作为靶向和响应组分被包裹在pH敏感的两亲性聚乙二醇(PEG)聚合物中,形成稳定的核壳结构,提高了纳米探针在体内运输过程中的稳定性。在溶酶体的酸性环境刺激下,PEG聚合物壳层被打断,靶向位点暴露于纳米探针表面以进一步附着于线粒体。细胞测试揭示了通过溶酶体递送的精准线粒体靶向过程。利用TPAMC和UCNPs之间的发光共振能量转移过程,可以实现高选择性和灵敏度的线粒体H_2S比率检测。基于980 nm激发的上转换成像模式很好地克服了半花菁分子探针光稳定性差、激发波长短的问题。因此,这一纳米探针不仅可以用于活细胞线粒体中H_2S含量的检测还可以用于结肠癌小鼠模型的体内成像。2、近红外吸收的花菁类小分子比率光声探针在活体硫化氢成像中的应用为了进一步探索花菁类分子探针在体内成像中的应用,我们开发了一种基于水溶性近红外吸收花菁染料的小分子光声探针CyCl-1,用于H_2S的体内光声成像。由于H_2S与花菁分子中活性氯原子之间的亲核取代反应,H_2S的加入能够引起探针分子内电荷分布的显著变化,从而实现对分子内电荷转移过程(ICT)的调节。这一探针表现出对H_2S的快速和选择性响应,具有720 nm(增强)和800 nm(衰减)的双峰比率型光声信号,能够实现小鼠体内H_2S的高分辨率和高保真度实时成像。此外,与传统的多组分比率纳米探针相比,我们的小分子探针的结构设计提供了更稳定的比率光声信号和更低的潜在毒性。药代动力学研究显示CyCl-1能够通过肝胆排泄途径快速从体内清除。这种小分子比率光声探针的成功开发将有助于促进先进光声成像技术在H_2S相关生物医学研究中的应用及其临床转译过程。3、基于花菁分子探针的比率光声纳米平台用于肿瘤成像和硫化氢释放监测H_2S是一种重要的信号分子,对人体的生理过程起到重要的调节作用。但过量的H_2S也会对细胞造成杀伤。基于这一特性,我们将花菁分子探针与H_2S供体结合,制备了光声监测的硫醇-激发硫化氢释放纳米诊疗平台。首先通过侧链修饰合成油溶性的花菁类PA分子探针,然后将其与多硫化物(PSD)共同包裹在两亲性聚合物中形成纳米粒子(CY-PSD)。作为探针的花菁分子(CY)对H_2S具有良好的响应性,呈现出比率PA信号变化,同时PSD能够与硫醇反应生成H_2S。基于肿瘤组织透过性增强及滞留效应(EPR)纳米探针能够富集在肿瘤部位。肿瘤细胞中超高含量的谷胱甘肽(GSH)刺激PSD释放出大量H_2S,再通过CY进行实时检测,这一过程也同时实现对肿瘤组织的比率型光声成像。细胞实验表明CY-PSD的H_2S释放量与细胞中的生物硫醇含量密切相关,正常细胞和癌细胞之间存在着明显差异,这为低毒副作用的肿瘤治疗提供了良好的基础。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O657.3;TQ619.7
【部分图文】：

1.2.2 花菁染料的合成（1）花菁的合成根据聚甲炔链碳原子个数的不同，花菁被分为单甲炔（Cy1），三甲炔（Cy3），五甲炔（Cy5）和七甲炔花菁（Cy7）。花菁染料的吸收和发射光谱可随着共轭聚甲炔链长度的变化而改变：聚甲炔主链增加一个亚乙烯基团可引起光谱红移约 100 nm[34]。Cy5 和 Cy7 的最大吸收和发射已经达到近红外（NIR， 650-900 nm）区域，这两种染料更有利于生物分子探针的，因为与紫外（UV）和可见光相比，NIR 光光损伤小，具有最小荧光背景干扰，并且生物组织对光子的散射较弱，成像穿透深度大[35-37]。经过一个多世纪的研究，人们已经开发出了用于花菁染料合成的有效方法（图 1.3）。通常，花菁染料是通过芳族季铵盐与不同缩合剂的缩合获得的。Cy3 染料可以由季铵盐与原甲酸三甲酯的反应合成。 Cy5 通常通过季铵盐和链状花菁试剂之间的缩合制备，利用其可以方便地合成具有不同内消旋取代基的 Cy5 荧光团。 合成 Cy7 的常用方法是季铵盐和对称醛基结构的缩合，这一方法简单方便且具有较高的反应产率。

图 1.4 经典的半花菁结构及一般合成方法示意图。方酸菁的合成菁是花菁家族的重要成员之一，其特征是居于中间位置的的环状共轭核离子结构[39]。图 1.6 为经典的方酸菁染料实例。方酸菁染料的诞生可以追和 Jacob 发表的关于 3,4-二羟基环丁-3-烯-1,2-二酮（方形酸）与吡咯的反应越多的方酸染料开始出现在文献中。 这些方酸菁染料通常通过富电子 N，N-二烷基苯胺，苯酚，苯并噻唑和吡咯与缺电子的方形酸缩合制备（图，克酮酸染料也是一种有吸引力的方酸衍生物（图 1.6）。 由于存在五元子受体核心，与相对应的方酸菁染料相比，这些分子在吸收上呈现出约 1酸菁染料及其衍生物的强吸电子核心使其分子内部形成了供体-受体-供体结构，因此，这类分子通常呈现出强烈而尖锐的吸收和发射带[39]。

图 1.4 经典的半花菁结构及一般合成方法示意图。（3）方酸菁的合成方酸菁是花菁家族的重要成员之一，其特征是居于中间位置的的环状共轭核心和共两性离子结构[39]。图 1.6 为经典的方酸菁染料实例。方酸菁染料的诞生可以追溯到reibs 和 Jacob 发表的关于 3,4-二羟基环丁-3-烯-1,2-二酮（方形酸）与吡咯的反应的报告，越来越多的方酸染料开始出现在文献中。 这些方酸菁染料通常通过富电子芳族或物如 N，N-二烷基苯胺，苯酚，苯并噻唑和吡咯与缺电子的方形酸缩合制备（图 1.5）之外，克酮酸染料也是一种有吸引力的方酸衍生物（图 1.6）。 由于存在五元环烯酸的电子受体核心，与相对应的方酸菁染料相比，这些分子在吸收上呈现出约 100 nm2]。方酸菁染料及其衍生物的强吸电子核心使其分子内部形成了供体-受体-供体（D-转移结构，因此，这类分子通常呈现出强烈而尖锐的吸收和发射带[39]。
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本文编号：2838723