谷胱甘肽和巯基氨基酸总量时空同步检测荧光探针的开发与应用

Thiol-based amino acids (biothiols) are crucial bioactive species in organism to maintain redox equilibrium. Among, glutathione is closely related to a variety of physiological and pathological processes. In clinic, glutathione levels and biothiols levels within the cell, plasma can be used as the index of curative effect of serious diseases such as cancer, sepsis etc. So, the synchronous detection of glutathione and total biothiols is very significant. Existing fluorescent probes can selectively detect and distinguish glutathione, however they can not carry out the synchronous detection for total biothiols in space-time. How to address the glutathione-selectivity and synchronize the probe can monitor the amount of total biothiols is a major challenge for the design of fluorescent probes. In this project, we intend to design and develop a kind of multi-function fluorescent probes by employing a “dual-fluorescence turn-on” model, which are capable of both detecting glutathione and synchronous monitoring total biothiols. And we will establish the method of synchronous detection and evaluation mechanisms of disease treatment based on glutathione and total biothiols in space-time. This research is expected to further develop and improve the biological and clinical index with glutathione and total biothiols level, and helps to promote the establishment of accurate diagnosis method and screening system based on individual differences.

巯基氨基酸是生物体内维持氧化还原平衡的重要活性分子，其中谷胱甘肽又与各种生理病理过程密切相关。在临床上，细胞、血浆内的谷胱甘肽含量与巯基氨基酸的总体水平可以作为衡量癌症、脓毒症等重大疾病治疗效果的重要指标。因此，对它们的同步检测具有十分重要的意义。已有的荧光探针可以高选择性的检测并区分谷胱甘肽，但无法在时间和空间上同步完成对巯基氨基酸总量的检测。如何在解决谷胱甘肽高选择性的同时使探针还能同步监控巯基氨基酸总量是荧光探针分子设计面临的一个重大挑战。本项目拟采用“双荧光开”探针工作模型，设计、开发一类既能检测谷胱甘肽又能实时同步监控巯基氨基酸总量的多功能荧光探针；建立针对谷胱甘肽与巯基氨基酸总量高时空同步分析检测方法和相关疾病治疗效果的评估机制。本研究工作的开展有望进一步发展和完善以谷胱甘肽和巯基氨基酸为靶标的生物学与临床检测指标，有助于推动建立基于个体差异性的疾病精确诊断方法与筛查体系。

谷胱甘肽等巯基氨基酸是生物体内维持氧化还原平衡的重要活性分子，与各种生理病理过程密切相关。因此，开发能够在活细胞及活体水平上可视化标记谷胱甘肽等巯基氨基酸的荧光探针对于研究它们的细胞功能、病理过程及临床诊断具有极其重要的意义。本项目开展的主要研究内容是检测谷胱甘肽为并同时监控其它巯基氨基酸的水平，开发一类特异性检测谷胱甘肽的多功能荧光探针，建立同步荧光成像分析方法并提高荧光成像的时间和空间分辨率，探讨其在医学及农业领域的应用。在本项目的资助下，我们成功地开辟了一个全新的基于萘酰亚胺-磺酰胺骨架的谷胱甘肽荧光探针体系，其最大的亮点在于：该体系对谷胱甘肽检测的特异性不受萘酰亚胺、磺酰胺骨架上官能团的影响，可以根据实际应用需求进行任意的功能化修饰；对于该体系探针的高选择性，我们从分子水平上揭示了探针的作用机制。特别值得提及的是，我们开发了首例能够在可见光（420-650 nm）、近红外光（720-850 nm）双通道内均特异性检测谷胱甘肽的荧光探针，实现了在双通道内的同步荧光成像，且成像的区域具有良好的时间分辨率和空间分辨率。此外，我们在该项目涉及的荧光染料方面，特别是对于具有D-π-A-π-D结构特征的近红外荧光染料的分子结构与性质之间的关系也开展了深入的研究，取得了一系列有意义的研究结果。该项目所取得的研究成果能够服务于活细胞及活体内谷胱甘肽的检测、氧化-还原体系的评估、病理分析以及疾病诊断等。