基于近红外荧光探针技术研究芥子气原型在体内的动态过程

Sulfur mustard is the representative of bifunctional alkylating agent and described as “the king of toxic agent”. The toxicity of intact sulfur mustard is the mainly toxicant in organisms. It is an inevitable scientific problem that the dynamic processes of intact sulfur mustard in organisms for the mechanism of toxicity induced by sulfur mustard. As so far the data of intact sulfur mustard in organisms from the publications is varies considerably because of the issues of detection method. Recently the technique of near infrared fluorescent probe is becoming the indispensable study method. Applicant have developed three series of sulfur mustard near-infrared fluorescent probes and screened an excellent probe. The detection limits of the probe is 4.35 ppm, and the reaction time is 1.7 min. We plan that applying sulfur mustard near-infrared fluorescent probes study the dynamic processes of intact sulfur mustard in organisms by different ways of exposure. We desire to ensure the relationship between time and dose of intact sulfur mustard in organisms and the potential accumulation ways and elimination half-time of intact sulfur mustard in tissues and cells, after then response to the correlation between retention phase, accumulation pattern and persistent toxicity of sulfur mustard. The study is vital to further elucidate the toxicological mechanisms, advise the clinical treatment and develop targeted antitoxic drugs.

芥子气是典型的双功能烷化剂，被称为“毒剂之王”。芥子气原型是体内发挥毒性的主要成分，明确芥子原型在体内的动态过程是芥子气研究中不可回避的重要科学问题。文献报道的芥子气原型在体内分布的数据差异较大甚至相互矛盾，究其原因是分析方法存在问题。近年来，近红外荧光探针技术逐渐成为医学和生命科学领域不可或缺的研究手段之一。申请人前期制备了三个系列的芥子气近红外荧光探针，并初步筛选出了一个性能优良的荧光探针。该探针能够快速、灵敏、高选择性的检测样本中的芥子气原型（反应时间为1.7 min，检测限为4.35 ppm）。我们拟应用芥子气荧光探针分析芥子气原型分子在体内的动态过程，构建芥子气原型在体内的时效、量效关系，明确整体动物和细胞水平上芥子气原型的蓄积方式和清除半衰期，切实回答留存时相、蓄积方式和芥子气持续毒性的相关性。上述研究对进一步阐明芥子气中毒机制、指导临床治疗和开发靶向抗毒药物均具有重大意义。

芥子气是难防难治化学战剂的典型代表，明确芥子原型在体内的动态过程是芥子气毒理机制研究中不可回避的重要科学问题。本课题主要研究内容为基于荧光探针技术建立芥子气原型的检测方法，并应用该方法研究芥子气原型在组织和细胞中的分布情况。主要实验结果为制备了以荧光素为荧光母核，硫代酰胺为芥子气识别基团的荧光开启型的芥子气荧光探针SM-Flu。SM-Flu与芥子气的反应时间为30 min，检测限为1.20 μM。该探针与芥子气反应后的荧光强度与芥子气浓度有较好的线性关系。该探针还实现了活细胞和水母水螅体上芥子气荧光成像。SM-Flu是首个可检测生物样本中芥子气的荧光探针，但是由于其在检测性能方面的局限性，限制了我们将其进一步应用于芥子气的研究。我们进一步合成了OxSM-1、OxSM-2、OxSM-3和SiNIR-SM等四个芥子气荧光探针。这四个探针都可选择性的检测芥子气，其中SiNIR-SM检测性能最好，在10 min以内即可完成反应，且有较高的灵敏度（0.8μM）。应用该探针我们研究发现芥子气暴露后全血中芥子气原型可在10 min-6 h内持续检出。进一步研究发现芥子气原型存在脂肪蓄积的情况，其中芥子气原型可在脑组织中持续存在24 h。应用SiNIR-SM于活细胞水平的芥子气成像中发现，进一步研究发现芥子气存在线粒体靶向性这一重要现象。此外，SiNIR-SM还实现了皮肤染毒小鼠的早期诊断检测。基于上述研究结果，课题负责人入选中国科协青年人才托举工程、上海市公卫优青、深蓝工程等人才计划，课题负责人以第一/通讯作者在J Hazard Mater.(IF 10.58)、ACS Sens.(IF 7.3)、Toxicol Appl Pharmacol.(IF 3.58)等权威期刊发表科研论文5篇，申请国家发明专利1项，副主编论著一本《化学武器与防护百问》入选科技部“2020年全国优秀科普作品”。