靶向活细胞超高分辨显微成像的大斯托克斯位移近红外荧光染料创制

Near-infrared (NIR) fluorescent dyes with mega Stokes shift are ideal biomarkers which are especially suitable for the super-resolved fluorescence imaging. However, the traditional near-infrared fluorescent dyes generally display small Stokes shift (10-20nm). This shortcoming still remains for the latest developed NIR fluorophore constructed through hybrid strategy. In our recent work, the position of substitutes in a fluorophore was found to affect the fluorescence profile to a significant content as displayed with larger Stokes shift and longer emission wavelength. Based on this new phenomenon, in this new project which is aiming for NIR Mega-Stokes fluorophores to be used in live-cell super-resolution fluorescence imaging, we modify conventional fluorophores by means of changing the position of electron donors, taking tetrahydroquinoxaline for example, to get new fluorescence profiles with large stokes shift. In this project, we will create a series of new NIR fluorophores featured with mega Stoke shifts, high quantum yield, high absorbance and good biocompatibility. Finally, we will apply these new fluorophores in super-resolution live cell imaging.

具有大斯托克斯位移的近红外荧光染料是生物标记，特别是超高分辨荧光成像的理想荧光团。然而传统的近红外荧光染料斯托克斯位移普遍很小（10-20nm）,最新通过发色团杂化等方法开发的新的近红外荧光团依然存在斯托克斯位移小的缺点。申请人课题组在前期工作中首次发现，在保有共轭面不变的前提下，取代基的位置效应可以明显增大荧光染料的斯托克斯位移和发射波长。在此基础上，本项目中靶向活细胞超高分辨成像的荧光团，以四氢喹喔啉为主要取代基，运用取代基位置效应修饰常规发色团，创制一系列新的斯托克斯位移大、量子产率高、吸光度高、生物相容性好的近红外荧光染料，并将这些荧光染料功能修饰后用于超高分辨活细胞成像。

有机小分子荧光染料近些年成为生物荧光标记和成像的研究热点，主要围绕两大核心问题开展研究：一是性能优良的荧光染料开发，保证足够的灵敏度；二是荧光探针的特异性标记和识别，保证数据的可靠性。项目执行人前期工作围绕着性能优良的荧光染料开发、小分子靶标特异识别、荧光传感新模式等开展研究。本项目执行期间，将科学问题进一步凝练，研究集中在显著提高荧光性能，超分辨成像用荧光染料开发，新的荧光传感机理，和免洗蛋白标记荧光探针等方面，并取得进展。..本项目以前期计算机辅助分子设计为基础，利用荧光团化学结构统计归纳/理论计算相结合与目标化合物有机合成验证的方法，荧光团分子构效关系为核心，理解了荧光染料发光构效关系，找到了控制荧光强度、光稳定性、斯多克斯位移和荧光波长等荧光性质的影响因素，开发具有大斯托克斯位移、近红外发光的荧光团用于超高分辨荧光成像，并进一步开发了一批能够识别众多不同生物客体的性能优越的荧光探针，取得了一批有特色、有影响的成果。研究内容包括创制具有大斯托克斯位移的近红外荧光团，通过计算模拟和实验确定四氢喹喔啉修饰荧光团母体、荧光团光学性质的评价；系列大斯托克斯位移荧光染料的开发；将具有大斯托克斯位移的近红外荧光团用于细胞成像，研究荧光团的工作浓度、细胞功能的影响、细胞保留时间及在超分辨成像中的应用。部分成果已发表论文和申请专利，包括论文11篇，授权专利4项。