菁类线粒体探针的靶向机制研究与筛选

Mitochondria are important organelle found in almost all eukaryotic organisms. They act as the cellular powerhouse, the major source of cellular reactive oxygen species (ROS) and the regulation center of cell apoptosis/death, and are involved in many diseases. The mitochondria-targeted probes and drugs are very important in the research of mitochondrial molecular medicine and the therapy of mitochondrial related diseases. Currently, mitochondria-targeted compounds are far from enough, and their targeting mechanisms are still unclear, which greatly limit their further development and widely applications. This project will focus on the targeting mechanism of mitochondria-targeted cyanine dyes, IR-780 and HQO. The dynamic process and molecular mechanism of IR-780 and HQO entering into mitochondria will be explored through simulation of biological membranes, inhibition of transport pathways and proteomics techniques. Meanwhile, the structure-activity relationship of mitochondria-targeted cyanines will be investigated by changing the cyanine system and sides chains step by step. The key groups related to mitochondria-targeting will be figured out and new compounds with simple structure and high mitochondria-targeting ability will be discovered. Our result will provide information for the design of new mitochondria-targeted drugs and probes and provide new tools for the investigation of the structure and function of mitochondria.

线粒体是真核细胞的能量工厂、细胞内活性氧物种(ROS)的主产地和细胞凋亡/死亡的调控中心，与多种疾病的发生、发展密切相关。发展线粒体靶向探针与药物可为线粒体分子医学研究和相关疾病的治疗提供重要工具。目前靶向线粒体的化合物不多，且靶向机理不明确，严重制约了它们的进一步发展和广泛应用。本项目拟以靶向线粒体的菁类荧光探针分子IR-780和HQO为对象，通过生物脂膜模拟、转运通路的抑制和蛋白质组学等方法探索它们靶向线粒体的过程和分子机理；同时通过化学合成逐步改变IR-780和HQO的母核和侧链，研究菁类化合物靶向线粒体的构效关系，确认线粒体靶向的关键基团，筛选出结构简单、靶向性强的线粒体靶向分子。通过研究阐明菁类线粒体靶向探针的靶向机理，为新的线粒体靶向药物和探针的设计提供理论指导，为线粒体形态、结构与功能的研究提供新的靶向分子和探针。

活细胞荧光成像是目前研究细胞和亚细胞结构、细胞功能和细胞生理病理过程的有力手段之一，广泛应用于生物医学研究和疾病的诊疗中。荧光探针是实现细胞成像的必要工具，发展新的靶向细胞特定结构和位置、细胞中特定分子和微环境的荧光探针将进一步拓展细胞成像技术的应用范围，促进生物医学研究的深入发展。本项目围绕用于细胞成像的荧光探针，尤其是线粒体靶向的荧光探针展开研究。合成了大量具有不同母核和侧链的荧光化合物，研究了所合成化合物的光谱学特性、分子识别行为、细胞摄取行为、细胞定位、细胞毒性等性质；筛选了可靶向线粒体、内质网、细胞核、细胞膜、溶酶体等细胞器的荧光化合物；研究了所合成化合物与细胞相互作用的构效关系；研究了其它来源的化合物与细胞的相互作用；探索了不同化合物与细胞的作用机理和细胞器靶向机理；发展了检测线粒体pH值、粘度、H2S、HSO3-、CO、活性氧物种等的分子探针；结合寡糖代谢工程技术，设计合成了识别和定位细胞中糖基化分子、并可反映糖基化分子微环境pH值的荧光分子探针；设计合成了探测药物释放和定位的光活化荧光探针；筛选和设计了识别特定细胞膜蛋白、细胞核的核酸适体分子探针；利用这些分子探针建立了系列的活细胞成像方法。这些研究为活细胞成像提供了新的工具，为生物医学研究和相关疾病的诊疗提供了新的技术和方法。