基于NBD母体荧光探针的设计合成及其在细胞和活体内的应用研究

发布时间：2020-03-06 18:27

【摘要】：生物体内存在各种各样的内源性活性物种以及潜在的肿瘤标志物。这些物质的种类及含量在正常细胞与非正常细胞内是存在差异的。近年来,学术界开发了诸多生物检测技术。然而,鉴于生物体内环境存在多样性与复杂性,导致检测结果准确性低、选择性差。因此,我们发现仍有必要去开发选择性好、灵敏度高准确性高的分析方法。荧光探针可以选择性地将分析对象的化学信息连续地转变为分析仪器易测量的荧光信号。当周围环境变化时,荧光分子探针的发射波长及强度会发生改变,从而将反映出环境的特征或环境中存在的某种特定信息。借助这些光学信息,可实现对生物体内待测物的高灵敏、选择性可视化分析。作为荧光探针中重要组成部分,有机小分子荧光探针具有设计性强、选择性高、准确性好、响应迅速等优点,在细胞及动物活体检测中发挥着越来越重要的作用。本论文从小分子荧光探针的设计合成及生物应用两个方面出发,以NBD-Cl作为母体荧光基团,设计合成了多个探针,并分别用于检测和监控细胞内的信号分子和肿瘤标志物等。具体工作如下:第一章:绪论简单介绍了一下荧光探针的应用进展、选题意义与主要研究内容第二章:讲述用于检测酮戊二酸的小分子探针的设计合成及其生物体内的实际应用。α-酮戊二酸(α-KA)的检测通常存在低的灵敏度,不可见的颜色变化和易与表面活性剂发生复合的缺点,这就限制了对于生物样品中α-KA的准确性,高灵敏的定性和定量检测。与常规的传感机制不同,我们设计出一种结合吸收红移(不是发射)的光诱导电子转移(PET)的特殊机制,并设计了同时用于生物样品中α-KA荧光检测,吸收比率和比色检测的简单而多功能的探针。无需任何表面活性剂,PET的有效抑制确保了探针强的荧光开启(60倍)和低的检出限(0.9mM)。紫外区域大的吸收红移(100 nm)所引起的明显颜色变化使得能够通过肉眼进行α-KA的比色分析。同时,这种大的吸收红移也有助于比率检测,从而准确定量复杂生物样品中的α-KA。用这种探针,我们首次实现了血清,活细胞和组织样品中α-KA的比率检测,肉眼监测以及成像。第三章:讲述用于检测氧化应激(ClO-和H_2S)的小分子探针的设计合成及其生物体内的实际应用。ClO-/H_2S稳态在胃组织的损伤和修复中起着关键的作用,但是由于在高酸性胃环境中进行原位分析的挑战,对于这种稳态的研究很少。这里,我们设计了一种新的包括可控的光诱导电荷转移(PET)和电荷推挽开关的H+激活光学机制,开发了简单而多功能的探针(Z)-4-(2-亚苄基肼基)-7-硝基苯并[c][1,2,5]恶二唑(BNBD)。首先,探针BNBD(关)被高酸性介质质子化以触发强的荧光(开)。然后,ClO-或者H_2S分析物与质子化的BNBD反应,导致分别由C=N的快速氧化(50 S)和硝基还原而产生的超灵敏(ClO-:2.7 n M;H_2S:6.9 nM)的荧光猝灭。通过吸光度/颜色的逻辑鉴别(ClO-:300nm/无色;H_2S:400 nm/橙色)开发了用于原位定量检测胃粘膜与中ClO-/H_2S的方法。首次实现了内源性H_2S,ClO-/H_2S稳态及胃粘膜病理学的原位定量检测,克服了高酸性条件下ClO-/H_2S分析的挑战并实现了ClO-/H_2S的原位组织定量分析。与粘膜损伤评估相结合,这项工作证实了ClO-/H_2S对胃粘膜(50-90mm深处)的损伤/修复作用,这可能有助于辅助诊断由氧化应激引起的胃病。第四章:讲述了用于检测pH的小分子探针的设计合成及其生物体内的实际应用。细胞可以在非常精确的范围内控制其pH变化。pH在细胞自噬和凋亡中起重要作用。有证据表明肿瘤的内部环境是被酸化了的。虽然细胞中的酸化已被研究,但复杂细胞内环境下多种刺激因子的生物学效应尚未被完全阐明。到目前为止,只有很少的pH探针有宽的检测范围,这就迫切需要开发一种宽范围pH探针。在这里,我们设计了一种新的荧光探针(CM-BHNBD)用于线粒体和粘膜内酸化的实时检测。探针通过H+驱动的PET-TICT(光诱导的电子转移-扭转分子内电荷转移)机制对pH进行响应,并且可以线性地响应pH在宽的酸度单位中的变化:7.00-2.00伴随有140倍的荧光增强。该探针还具有优异的膜通透性,良好的光稳定性和可忽略的细胞毒性。探针成功应用于量化HeLa细胞中营养物质剥夺和氧化应激同时刺激下的酸化。我们的研究结果表明线粒体pH在酸化过程中处于动态波动状态,这表明了细胞自噬和凋亡之间存在潜在的串扰效应。我们还使用该探针通过操纵细胞质子泵来量化胃和食道的粘膜内pH变化。我们的探针有望被用于监测生物医学研究的细胞内/粘膜内的酸化。第五章:总结与展望
【图文】：

图 1-1 几种常见的荧光团Fig. 1-1 Several common fluorophore1.3 选题意义与主要研究内容随着社会的发展，，当代社会对生物医学和生物分子学的需求，有机小分子荧光探针的研发已成为当代社会的主流，也是当代社会的需求。因此本人将主要从有机小分子荧光探针的设计合成与实际应用两个方面出发，以 NBD-Cl 小分子为母体环，设计合成多种探针，并分别用来检测各种小分子物质，构建了多功能的荧光传感器。具体工作有：（1）设计合成用于检测酮戊二酸的小分子荧光探针并对其进行生物体内的实际应用。（2）设计合成用于检测氧化应激（ClO-和H2S）的小分子荧光探针并对其进行生物体内的实际应用。（3）设计合成用于

利用光致电子转移机理（PET）使其荧光淬灭；同时该淬灭基团对待测物 alpha-酮戊二酸具备良好的反应特性，反应后要求产物的分子前线轨道能量有较大幅度改变致 PET 机理被阻止，从而释放出强荧光信号并提高灵敏度；另外前线轨道能量差值应有所减小，以使吸收波长红移，从而显示出可见光颜色为肉眼观测提供保证。荧光母环 NBD 分子具有长波吸收和发射、高量子产率、优良的细胞穿透性、低毒性以及良好的可获得性等优点。alpha-酮戊二酸分子结构中羧酸邻位存在一羰基，该基团可与给电子基团（如-氨基）反应，改变基团的电子供效。因此，以 NBD 作母体发光环，将 NBD-Cl 分子 7 号位的元素氯取代成为肼基，得到本课题荧光/紫外分子探针（即探针 HNBD），然后将其应用于生物样本检测，机理如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：青海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318

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本文编号：2585221