荧光探针的设计及其在神经元与神经环路中重要生理活性物质成像中的应用

In neurons or neutral circuit systems, many important bioactive species, such as transmitters, reactive oxygen species (ROS) and redox enzymes, are closely related with the functions of neutral circuits. Thus, the current proposal will focus on the fluorescent imaging of some important bioactive specie, such as neuron transmitters, reactive oxygen species (ROS) and redox enzymes. Firstly, we will concentrate on the rational design and synthesis of long-wavelength fluorophores with new structures, and then prepare new fluorescent probes by utilizing the specific reactions of the target molecules, such as the selective cleavage of the ether bond by ONOO- and the selective oxidation of the amino group by monoamine oxidase; secondly, highly sensitive and selective methods will be established based on the specific reactions of probes with the target; and finally, we will apply these methods to the fluorescent imaging of the above related bioactive species in neurons and neutral circuits. It is hoped that the selective and sensitive imaging of these species in neurons and neutral circuits may help to disclose their molecular mechanisms.

在神经环路及神经元中，重要的生理活性物质如信号分子、活性氧物种及氧化还原酶等与神经环路的功能密切相关。本申请即以神经环路及神经元中重要的生理活性物质如信号分子、活性氧物种及氧化还原酶等为题展开深入研究。首先将借助过氧亚硝基阴离子可切断醚键以及单胺氧化酶可催化氧化脂肪胺等特异的化学反应，以新型荧光母体为平台设计荧光探针，再利用识别基团对目标物的特异性反应，实现目标物的荧光成像与示踪，并尝试用于神经元及脑神经环路中上述物质的活体成像分析。该项目的成功实施将有助于揭示这些物质在神经环路或神经元中的生成与分子作用机制。

本项目通过合理的分子设计，以萘酰亚胺、罗丹明、半菁等为荧光母体，分别制备了几种与神经元活动密切相关的重要生理活性物质如硫化氢、硝基还原酶、ATP以及ROS等的荧光探针,以实现细胞水平这些生理活性物种的选择性光学传感与示踪检测，从而揭示了这些物质在神经环路系统中特定条件（如缺氧）下的变化规律。首先以萘酰亚胺为荧光母体，通过将ROS响应性的芳基苯硼酸酯连接到荧光团上，制备了ROS激活的硫化氢荧光探针。该供体能通过荧光信号开关对硫化氢的释放进行实时监测，并进行细胞成像，可广泛应用于某些神经系统中硫化氢的传递和实时监测研究。还以罗丹明和1,8-萘二甲酰亚胺结构为骨架，硝基和二亚乙基三胺分别作为硝基还原酶和ATP的识别基团，设计合成了可同时检测硝基还原酶和ATP的双功能荧光探针。该探针和硝基还原酶/ATP反应可产生不同的光谱响应。利用该探针揭示了缺氧状态下细胞中硝基还原酶和ATP具有相反的变化趋势。利用·OH对芳香化合物独特的羟基化作用，制备了第一个可以检测无需外加过氧化氢的铁自氧化过程中痕量·OH的光学探针；同时，基于·OH的亲电性，在芳香环上引入强的供电子甲氧基，提高了探针对·OH的捕获能力。该探针能有效避免其它活性氧物种（如OCl-、ONOO-） 的干扰，对·OH的检测具有很高的选择性，并且探针与·OH反应后，通过电子重排，导致π-共轭体系扩展并产生强的近红外荧光发射，因此还具有高的分析灵敏度。该探针已成功用于活细胞内痕量·OH的荧光成像分析，其优越的分析性能和广泛应用将有助于理解铁自氧化过程的生理学及病理学作用。