典型重金属离子胁迫下生物内源活性物种变化的联动光学成像分析方法研究

Optical probe imaging technology has been recognized as a powerful biological detection technology for in situ detection of bio-reactive species in biological system due to its high spatiotemporal resolution, simple operation and non-invasiveness. This project aims to propose new optical probes for the sensitive analysis of environmental related species and bio-reactive species under typical heavy metal pollution stress. Various kinds of optical probes, i.e. fluorescent probes and surface-enhanced Raman scattering (SERS) probes will be designed, synthesized, screened and used for the real-time, in situ, visible detection of endogenous active molecules under typical heavy metal pollution stress at single cell, tissues and in vivo levels, with the aid of fluorescence and Raman three-dimensional imaging techniques of high space-time resolution. Near infrared (NIR) fluorescence and laser Raman scattering (LRS) in vivo imaging techniques have been demonstrated with the features of single targeting detection, low spatial resolution, whole body imaging, and multiple targeting detection, high spatial resolution, part body imaging, respectively. By combing the advantages of both imaging techniques, NIR fluorescence-LRS dual mode imaging system with high through-put detection ability will be developed, and the dynamic real time tracking of multiple targets in living animals will be achieved. Taking advantages of the proposed multiplex optical probes and imaging analytical methods, the distribution, transportation, and principles of the interaction with endogenous species of typical heavy metal pollutants in real environmental samples in living systems will be elucidated. This project will promote the development of optical imaging analysis technique and provide powerful technical support for the study of underlying problems of heavy metal pollutants and the cell signal transduction and cellular physiological function way under environmental stress.

光学探针成像技术以其时空分辨高、操作简便和原位非损伤检测等优点，在生物活性物种检测领域，已成为一种功能强大的研究辅助工具。本项目针对典型重金属离子胁迫下生物内源活性物种变化的高灵敏联动分析的难题，拟设计和筛选出新型荧光探针和表面增强拉曼散射（SERS）探针，利用光学探针的三维示踪和高时空分辨成像新技术，在细胞、组织和活体水平上，实现典型重金属离子胁迫下生物内源活性分子的原位、实时、可视化联动检测。整合荧光探针和SERS探针分别具有的生物成像技术优势，构建具有高通量检测能力的荧光-拉曼联动成像系统，实现多种靶标物质在活体内的实时、动态、高通量联合检测。期冀借助基于探针建立的成像分析方法，阐明环境中典型重金属离子在生命体内的分布、转运以及内源物种相互作用的规律。本项目将有助于推动光学成像分析的发展，为解决重金属污染与健康的深层次问题及为环境胁迫下细胞信号转导和生理功能通路等提供有力的技术支撑。

本项目针对典型重金属离子胁迫下，生物内源活性物种变化的高灵敏联动分析的难题，设计、筛选出新型荧光探针和表面增强拉曼散射（SERS）探针，利用该类光学探针的三维示踪和高时空分辨成像技术，在细胞、组织和活体水平上，实现典型重金属离子和典型环境因素胁迫下，生物内源活性分子的原位、实时、可视化检测。项目执行过程中，通过环境化学、有机化学、分析化学和生物医学等多学科交叉，发展了光学探针成像技术，设计合成和筛选了高灵敏、高选择性的新型有机荧光探针10余种，构筑了高选择性、高灵敏度的新型SERS探针5类，可以实现实时原位、动态检测重金属（汞离子、铜离子等）以及相关功能性多种靶标活性物种（活性氧、活性硫、多硫化氢等）在细胞、组织和活体中的分布、转运、变化和相互作用规律，力图阐明重金属离子、典型污染物（四氯化碳、二硫化碳等）引发的生命体系病变的分子机制，以及环境因素（缺氧、温度变化）等影响下的活性物种的变化规律。并整合荧光探针和SERS探针分别具有的生物成像技术优势，构建荧光-拉曼联动成像系统，实现多种靶标物质在活体内的实时、动态联合检测。从而掌握了典型环境相关物种识别和检测的分子荧光探针、靶标敏感型SERS探针的设计基本原则，为今后设计新型有机荧光探针和纳米材料辅助光学探针提供理论和实践指导。相关研究成果在Analytical Chemistry (11篇)，ACS Nano，Advanced Functional Materials，ACS Applied Materials & Interfaces，Biomaterials，Chemical Science，Sensors and Actuators B: Chemical, Nanoscale等期刊发表SCI论文49篇，并基于相关积累应邀为Chemical Society Reviews撰写评述性论文1篇。获授权中国发明专利11项。项目执行期间，培养毕业“国科大”和高校联合培养博士/硕士研究生7人（韩潇玥获2018年度中科院“院长特别奖”、并获得2019年度中科院“优秀博士学位论文”；高敏获2018年度中科院“院长优秀奖”）。项目负责人陈令新，2016年获批国务院特殊津贴、2019年入选“泰山学者”；获2016-2019年度中科院“优秀导师奖”。总之，本项目研究丰富了实时原位检测的环境分析化学的研究内涵，具有重要科学意义。