快速响应细胞氧化还原状态变化的含硒荧光探针研究

The detection of physiological redox changes of cells needs fluorescent probes that respond quickly to changes of redox potential of thiols. Mimicking the selenium-containing glutathione peroxidase activity and functionalizing a cyanine dye with an organic selenide, we have developed a reversible fluorescent probe for cellular peroxynitrite. Based on the published results and the preliminary experiments, this project plans to exploit another kind of GPx-active organoselenium groups, i. e. diselenide bonds, as the recognition groups for responding to changes of the redox potential of thiols and design and synthesize series of selenium-containing fluorescent probes that respond quickly to the redox changes of cells. Meanwhile, homo resonance energy transfer process is used to quench the initial fluorescence of the probes. The project will evaluate the synthesized probes in biological environment-simulated chemical systems, investigate deeply the relations between structures and performances, especially between structures and responding rates of the probes, and apply the probes in fluorescence imaging study of physiological redox changes of cells. The study holds significance in the detection or discovery of physiologically related redox changes of cells and the further investigations of the dynamics and physiological functions of these changes.

检测与正常生理活动相关的细胞氧化还原状态变化需要对硫醇类化合物氧化还原电势变化响应迅速的荧光探针。本课题组曾模拟硒酶谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）活性，利用有机硒醚官能化花菁染料，发展了一种用于可逆检测细胞内过氧化亚硝酸根的荧光探针。在已有工作和预实验的基础上，本项目拟采用另一类具有GPx活性的有机硒基团，即二硒键作为快速响应硫醇类化合物氧化还原电势变化的识别基团，基于同体共振能量转移荧光猝灭机制，设计并合成系列快速响应细胞氧化还原状态变化的含硒荧光探针。本项目将在模拟生物环境的化学体系中对所合成的探针进行评价，深入研究探针结构与其性能尤其是响应速度之间的关系，并将探针用于与正常生理活动相关的细胞氧化还原状态变化的荧光成像研究。该研究对于检测或发现细胞正常生理活动中氧化还原状态的变化，研究其动力学和生理作用具有重要意义。

发展检测细胞氧化还原状态变化的方法，研究细胞氧化还原状态变化的分子机制，对于认识人类的健康和疾病具有重要意义。基于荧光探针的荧光成像法作为一种非侵入性方法，在实时监测活细胞氧化还原状态变化中具有其它方法无法比拟的优越性。在此背景下，本项目致力于用于快速响应细胞氧化还原状态变化的含硒荧光探针的设计、合成研究，在考察各种含硒物种官能化的荧光染料激发态动力学以及探针结构与其反应活性关系的基础上，发展了系列用于检测细胞氧化还原状态变化的探针，并结合共聚焦荧光显微镜将其用于活细胞内细胞氧化还原变化的动态成像研究。本项目共发表SCI论文7篇，申请中国专利8件，研究成果受到国内外同行广泛关注。Acc. Chem. Res., Angew Chem.以及Coord. Chem. Rev.等杂志多次发表以本项目相关工作为基础的综述文章。此外，部分成果被包含在2015年辽宁省自然科学一等奖“复杂体系动力学的理论与实验研究”中。本项目的实施，为荧光探针的设计与合成提供了新思路，也为人们实时跟踪细胞氧化还原状态的变化，认识其生理和病理意义提供了有力的工具。