构建具有长波长发射的半胱氨酸、HClO、溶酶体pH和硝基还原酶的双光子荧光探针及其活组织荧光成像研究

Design, synthesis, and biological applications of two-photon fluorescent platforms and probes for biological imaging is an important interdisciplinary field of chemisty and biology. Aiming at the current bottle-neck problem facing the two-photon fluorescent platforms and probes, relatively short two-photon fluorescence emission wavelength, this project is designed for developing the new two-photon energy transfer platforms with long emission based on our previous research in the two-photon and near-infared fluorescent platforms. The novel two-photon platforms will be employed to construct the new two-photon fluorescent probes with long emission, which will further be applied for imaging targets of interest including cysteine, hypochlorous acid, lysosomal pH, and nitroreductase in the living cells and living tissues. The proposed new two-photon platforms and fluorescent probes may be vaulable for addressing the relatively short two-photon fluorescence emission wavelength problem facing the two-photon fluorescent platforms and probes.

双光子荧光平台与探针的设计、合成及生物成像应用是当前化学和生物等学科交叉的一个重要研究方向。针对目前双光子荧光平台与探针所面临的发射波长较短的瓶颈问题, 基于本申请人研究组前期所发展的近红外荧光平台、双光子荧光平台和能量传递荧光平台的研究基础, 本项目旨在发展新型具有近红外发射的双光子荧光平台，并基于该平台构建新型具有近红外发射的双光子荧光探针，进一步对活细胞和活组织中靶标分析物(代表性例子：半胱氨酸、HClO、溶酶体pH和硝基还原酶)进行双光子荧光成像。本项目所发展的新型双光子平台与探针具有一个显著特性——具有长波长发射，有望为解决目前双光子平台与探针所面临发射波长较短的瓶颈问题提供理论指导和实验依据，可为探索半胱氨酸、HClO、溶酶体pH和硝基还原酶在活细胞与活组织中生理、病理过程中的信号传递作用和变化规律提供重要线索，具有重要的科学意义和实用价值。

生物体内是个错综复杂的环境，存在着多种多样的生物分子，另外还包含体内的微环境（pH、极性和粘度）。这些生物分子及微环境在体内发挥着至关重要的作用，维持并调控细胞的正常运行。但是这些生物分子及微环境一旦发生变化，就会引起生物体紊乱，甚至引起各种疾病。因此，发展能够检测这些生物分子及微环境的荧光探针具有重要的科学意义和应用价值。本项目旨在开发能够检测半胱氨酸、HClO、溶酶体pH和硝基还原酶的荧光探针，为揭示生物体内各种分子及微环境的变化提供有力的工具。在该项目的资助下，本研究小组取得了一系列重要的研究成果，例如，构建能够同时区分和连续检测活细胞中半胱氨酸/同型半胱氨酸（Cys/Hcy）、谷胱甘肽（GSH）和硫化氢（H2S）的多信号荧光探针、构建用于检测氧化应激下斑马鱼中半胱氨酸（Cys）变化的比率型荧光探针、构建用于肿瘤细胞和组织中硝基还原酶的双光子荧光探针、基于聚合物和荧光团杂交的方式构建单/双响应溶酶体pH的荧光探针、构建可应用于H2O2诱导的细胞氧化还原不平衡过程中Cys变化的比率荧光探针、单个荧光探针以不同荧光信号分别连续检测溶酶体中的H2S和HClO、构建可逆检测活细胞和斑马鱼体内的次氯酸和生物硫醇氨基酸的荧光探针、基于ICT-PET-FRET机制构建超灵敏比率检测内质网pH的荧光探针、双位点控制比值探针揭示了自噬过程中溶酶体和细胞质中pH的变化、利用光敏保护基与HClO荧光探针相结合设计并合成光敏型溶酶体靶向次氯酸荧光探针、构建近红外荧光探针用于检测炎症、组织损伤和细菌感染过程中小鼠中内源性HClO的变化等。这些新型荧光探针的开发将有利于探索次氯酸、半胱氨酸、pH和硝基还原酶等常见生物分子与相关生理过程、疾病产生与发展机制，并且为相关疾病的诊断和治疗提供新的研究工具，对研发治疗相关疾病的药物具有十分重要意义。