检测半胱氨酸的荧光纳米材料的构建及在细胞成像中的应用

Cysteine (Cys) and homocysteine (Hcy) play an important role in the life sciences. The decompensation and the changes of contents of Cys/Hcy in organism will cause diseases and carcinogenesis. So, the detection of Cys and Hcy has attracted the scientist's attention. In this project,a series of new fluorescence nano-materials will be developed based on phenanthroline possessing good fluores- cence and the interaction between nano-materials and various amino acids will be determined in psychological condition by UV-vis and fluorescence method. These nano-materials will be filtered with strong binding ability, high selectivity and good fluorescence for Cys/Hcy, the stability of host-guest complexes influenced by different substituents will be compared and the possible interacted mechanism of host-guest will be explored. Based on the modles of MCF-7 and HCT116 tumor cells, the filtered nano-materials will be co-clutured with cells. The cell imaging will be captured by fluorescence microscope and the cell toxicity will be evaluated. This project will provide a feasible way for the development of new fluorescence nano-materials containing phenanthroline and azo groups, will have an important significance for developing the detection method of Cys/Hcy and lay a good foundation for clinical application.

半胱氨酸和同型半胱氨酸在生命活动中起着重要作用，其在生物体内的代谢失调或点突变会导致多种疾病尤其是肿瘤的发生。因此，半胱氨酸和同型半胱氨酸的检测已引起广泛关注。本研究基于荧光性能良好的邻菲罗啉构建一类新型偶氮类荧光纳米材料；利用紫外－可见吸收光谱、荧光发射光谱等方法研究其在生理条件下与各种氨基酸的相互作用，筛选对半胱氨酸和同型胱氨酸键合能力较强、选择性较高、荧光响应良好的纳米材料，比较不同取代基团对主客体配合物稳定性的影响，并探讨主客体的作用机理；分别以人乳腺癌细胞MCF-7和结肠癌细胞HCT116为模型，将筛选的纳米材料与细胞进行共培养，对其细胞毒性进行初步评价，并通过激光共聚焦显微镜探索纳米材料对MCF-7和HCT116的特异性结合。本研究为构建新型偶氮类荧光纳米材料提供科学依据，为半胱氨酸和同型半胱氨酸的检测发现一种新型、灵敏度高的方法，并为该系列纳米材料在临床上的应用奠定基础。

半胱氨酸在生命活动中起着重要作用，其在生物体内代谢失调会导致多种疾病的发生。因此，半胱氨酸的检测引起了广泛关注。本项目合成了含有羧基、磺酸基、硝基等不同取代基的系列偶氮、邻菲啰啉、蒽、萘类衍生物及其纳米材料。在生理条件下，利用紫外-可见光谱、荧光光谱等方法测定了上述纳米材料与各种氨基酸的相互作用，通过非线性最小二乘法曲线拟合计算了主客体的结合能力，比较了不同取代基团对主客体配合物稳定性的影响，并探讨主客体可能的作用机理。结果表明：在所研究的氨基酸中，构建的纳米材料表现出对半胱氨酸或精氨酸较强的灵敏度和选择性。其中，含间位羧基的偶氮化合物与精氨酸的键合能力最强，结合常数为2.76×107，含间位羧基的偶氮化合物与精氨酸强的结合能力可能与其1:2的结合比有关，其它的偶氮化合物结合能力相对较弱且结合比为1:1。从影响主客体作用能力的因素来看，一般含有吸电子基团的受体对客体的键合能力会强。而本研究结果中含有硝基的化合物却表现出较弱的结合能力，该现象可能与空间位阻有关。另外，通过Gaussian03程序对合成的化合物及与半胱氨酸、精氨酸结合的配合物进行了结构优化。结果表明：所合成的化合物中都含有分子内氢键，分子内氢键的存在可提高主客体的键合能力。化合物的前线轨道电子云密度图表明大部分化合物与精氨酸作用过程中紫外可见光谱出现的红移现象是由最高占有轨道（HOMO）引起的。以人结肠癌细胞KYSE-450、乳腺癌细胞MCF-7、宫颈癌细胞HeLa为模型，将筛选的纳米材料与细胞进行共培养，对其细胞毒性进行初步评价，检测新型纳米材料与细胞内半胱氨酸的结合，探讨了其在细胞成像领域的应用。结果表明：含有对位磺酸基的偶氮化合物在5 –100 μmol • L −1范围内具有较低的细胞毒性，具有进一步应用的价值。其他化合物尤其是萘胺偶氮和对硝基偶氮化合物具有较大的细胞毒性。含有对位磺酸基的偶氮化合物既具有较低的细胞毒性又具有较强的结合能力，为其临床上的进一步应用提供理论依据。