基于四苯乙烯-卟啉能量传递体系的比率型荧光传感器阵列的构建及肝素检测应用

Heparin, with the highest negative charge density of any known biomolecules, is widely used as anticoagulant in hospitals. Due to its animal origin, drug safety concern about heparin lies in not only a suitable dose range but also its purity. The development of efficient and reliable tools for quantitative measurement of heparin concentration and purity is meaningful. However, due to the complexity of heparin’s structure, the design of heparin specific fluorescent sensors based on the traditional “lock-and-key” model is difficult. Existing fluorescent sensors mainly utilize electrostatic and hydrogen bonding interactions to detect heparin, which may give false positive results. To solve this problem, sensor array based pattern recognition method could be considered as a better choice. Because the chemical specificity of a sensor array is based on the pattern recognition of the combined response of several arrayed sensors. In this project, tetraphenylethene-porphyrin based energy transfer systems will be designed and synthesized to contruct ratiometric fluorescent sensor arrays to discriminate between heparin and its analogues accurately. The research will be meaningful for the quality control of heparin.

肝素作为一种抗凝血药物在临床上广泛使用，其化学结构复杂，难以人工合成，主要依赖从动物组织中提取。而肝素的主要二糖单元在结构上与其他种类的糖胺聚糖具有高度的相似性，在技术上难以便捷地区分，埋下了药物安全的隐患。因此，发展对肝素进行快速、准确的定量检测和纯度鉴定方法对保障其用药安全具有重大的研究意义。但由于肝素本身化学结构复杂，难以设计基于传统“锁-钥”模型的高特异性肝素荧光探针。现有方法主要依靠静电作用和氢键作用对肝素进行识别，存在特异性较低的问题，甚至造成假阳性的鉴定结果。针对该问题，本项目将传统荧光分子探针的设计思路与阵列传感器特有的非特异性模式识别方法相结合，设计构建基于四苯乙烯-卟啉能量传递体系的长波长比率型荧光传感器阵列，通过所设计阵列获得对肝素及其类似物的高维度检测信号，并进行模式识别分析，从而严格地区分肝素及其类似物，为肝素药物的安全使用提供技术支持。

肝素作为一种抗凝血药物在临床上广泛使用，但其化学结构与其他糖胺聚糖如硫酸软骨素和透明质酸非常相似，在技术上难以便捷地区分，而不同糖胺聚糖具有完全不同的生物活性，因此埋下了药物安全的隐患。本项目为了解决肝素结构复杂难以设计特异性荧光探针的难题，将传统荧光分子探针的设计思路与阵列传感器特有的非特异性模式识别方法相结合，通过设计构建基于四苯乙烯-卟啉能量传递体系的长波长比率型荧光传感器阵列获得对肝素及其类似物的高维度检测信号，从而严格地区分肝素及其类似物。在本项目的资助下，课题组成功开发了基于阳离子卟啉-氧化石墨烯体系的信号增强型近红外荧光阵列传感器和基于芘-卟啉能量传递体系的比率型荧光阵列传感器用于肝素检测和糖胺聚糖鉴别。实现了对肝素、硫酸软骨素、透明质酸、硫酸葡聚糖等糖胺聚糖的准确鉴别，对肝素中其他糖胺聚糖污染物的检测限达到0.1%（wt%），可以用于10%血清样品中糖胺聚糖的识别和肝素检测，可以实现对未知糖胺聚糖样品的准确鉴定。此外，项目研究期间课题组还开发了基于香豆素-吡啶结构的金属离子荧光传感阵列，巧妙地通过香豆素和吡啶骨架之间C-N键的旋转，在不增加传感器数量的基础上提高了阵列传感器的信号维度，实现了对20种常见金属离子的准确鉴别，区分灵敏度达到了0.1 μM。项目执行期间，标注本项目第一资助在Analytical Chemistry (2篇)、Sensors and Actuators B: Chemical等国际分析化学权威刊物发表论文6篇，受邀中文综述论文2篇，申请并授权国家发明专利2项，培养毕业研究生4人 (校优秀硕士学位论文3篇)，本科毕业论文13篇 (省级优秀本科毕业论文一等奖和三等奖各1篇，校优秀本科毕业论文特等奖2篇)，超额完成了预期目标；负责人荣获江苏省第六期“333 高层次人才培养工程”第三层次培养对象、南京农业大学年度考核优秀个人；指导学生多次获得硕士生校长奖学金、硕士生国家奖学金、校“优秀毕业研究生”、第二届全国大学生化学实验创新设计竞赛华东赛区二等奖等荣誉。