双光子钾离子传感器合成与性能研究

Two-photon absorbing materials have been widely used for 3D bioimaging and biosensing; however, there are very few reports about the highly selective two-photon absorbing potassium ion sensors. Potassium ions play diverse and important roles in biological functions relevant to many kinds of diseases. We plan to develop new two-photon absorbing sensors for analysis and monitoring of intracellular potassium ions (concentration around 130 – 180mM). We will design and synthesize new organic molecules, side-chain polymers, and main-chain polymers as highly selective intracellular potassium ion sensors with high two-photon absorbing cross-sections (larger than 1000GM). We will elaborate the relationship between materials’ structures and functionality, validate the practicability of the sensors by studying the cellular uptake of the sensors and utilizing the new sensors for non-invasively analyzing potassium concentrations and their changes under suitable stimuli conditions. The successful development of new two-photon absorbing sensors suitable for analysis of intracellular potassium ions will enrich the research field of potassium ion sensors and introduce novel potassium ion sensors important for cell research at cellular，tissue，and animal level. This study will provide essential materials and tools for further understanding potassium channels and potassium biology, revealing the relationship between ion concentrations and diseases as well as cancer.

双光子吸收材料已经在3D生物成像和生物传感等领域被广泛地研究和应用，然而对和多种疾病密切相关的钾离子进行选择性识别的双光子传感器的研究和应用还非常缺乏。本申请书计划研制可对细胞内钾浓度（约为130-180mM）进行分析和监测的新型双光子吸收传感器。将利用有机及高分子设计与合成手段，研制具有对钾离子高度选择性的、大的双光子吸收截面（大于1000GM）的有机分子以及侧链和主链高分子材料。将揭示材料结构和性能的关系，研究细胞对传感器的摄取，利用新型传感器对活细胞内钾进行无损伤分析，并在适当的刺激条件下检测心肌细胞和活体内钾流出和流入，以验证传感器的实用性。双光子传感器的研制将更加有利于分析细胞内、组织内和动物体内钾浓度和疾病健康的关系，也将极大地丰富钾传感器领域，弥补目前可测量细胞内钾离子传感器的不足，为深入理解钾离子通道和钾离子生物学并揭示钾离子浓度变化和疾病以及癌症的关系提强有力的工具。

双光子吸收材料已经在3D生物成像和生物传感等领域被广泛地研究和应用，然而对和多种疾病密切相关的钾离子进行选择性识别的双光子传感器的研究和应用还非常缺乏。我们利用有机及高分子设计与合成手段研制了可对细胞内钾浓度（约为130-180mM）进行分析和监测的新型双光子吸收传感器。这些材料包括有机小分子、高分子以及纳米材料。对材料的对钾离子的响应、选择性、双光子成像、细胞内分布、生理毒性进行了研究。并对药物刺激条件下的钾离子内流和外流进行了观察并验证传感器的实用性。揭示了材料结构和性能的关系。新型传感器的研制将更加有利于分析细胞内、组织内和动物体内钾浓度和疾病健康的关系，也将极大地丰富钾传感器领域，弥补了目前可测量细胞内钾离子传感器的不足，为深入理解钾离子通道和钾离子生物学并揭示钾离子浓度变化和疾病以及癌症的关系提强有力的工具。其中合成的KS26和TAC-Rh对细胞内重要细胞器-线粒体-具有精准的靶向特性；合成的纳米探针KFK-Cat NPs可以在活细胞水平建立对hERG通道功能评价新方法。hERG是指基因KCNH2。该基因编码的蛋白质被称为Kv11.1，是钾离子通道的α亚基。hERG钾离子通道被阻滞会导致心脏中毒和心室复极延长（长QT综合症），严重时可能会导致晕厥或者猝死。因此在药物研发初期，通过离子通道筛选研究化合物对否具有HERG钾离子通道抑制作用，是必要的且有助于提高药物研发的效率。结果表明利用该材料可以观察到相同浓度下所选四种药物对hERG通道的抑制能力依次为多非利特＞阿司咪唑＞西沙比利＞氟哌啶醇，这和膜片钳以及市售铊离子荧光试剂盒报道的结果一致，为进一步实现钾离子在药物筛选方面的应用奠定了基础。项目执行期间共发表SCI论文 19篇，获得授权专利3项。