活体脑神经细胞靶向的氰化氢荧光探针的构建及其活体荧光成像应用研究

Fluorescence imaging of hydrogen cyanide (HCN) in neurons in vivo is of great significance. However, the reported fluorescent probes cannot be employed for fluorescence imaging of HCN in neurons in vivo due to the following issues: (1) they are unable to pass through the blood-brain barrier and target into neurons in vivo; (2) the fluorescence of the reported probes responding to HCN has insufficient penetration depth to biological tissues. In this project, in view of the above issues and on the basis of our previous research, a new type of fluorescent probe for HCN will be constructed: (1) the designed probe will be combined with transport vector (CBSA) to transport the probe through the blood-brain barrier and target into neurons in vivo; (2) the designed probe will respond to HCN in second near-infrared (NIR II) window, in which the fluorescence shows excellent penetrating ability to biological tissue. Thus, the probe is capable of fluorescence imaging of HCN in neurons in vivo. The developed probe will contribute to studying the physiological function of endogenous HCN as well as pathogenic mechanism of HCN induced neurodegenerative diseases. Meanwhile, based on this research, a method for designing fluorescent probe that can be utilized for fluorescence imaging of other biological molecules in neurons in vivo will be further established.

荧光成像监测活体脑神经细胞内氰化氢具有十分重要的意义。然而已报道的氰化氢荧光探针还不能在活体脑神经细胞内进行荧光成像，因其主要存在以下问题：(1)不能透过血脑屏障并且靶向富集于活体脑神经细胞；(2)与氰化氢作用后产生的荧光信号对活体生物组织的穿透能力不足。针对上述问题，基于前期研究，本项目将开发出新型氰化氢荧光探针：(1)拟设计探针分子与运输载体（CBSA）相组合，通过运输载体的转运，使探针透过血脑屏障靶向富集于活体脑神经细胞；(2)拟设计探针与氰化氢作用后产生具有优良活体生物组织穿透能力的近红外II区荧光信号，从而实现对活体脑神经细胞内氰化氢的荧光成像。开发的新型荧光探针将有助于研究活体脑神经细胞内源性氰化氢的生理功能以及氰化氢引起神经退行性疾病的致病机制。同时，通过本项目的实施，还将为活体脑神经细胞内其它生物分子荧光成像，提供一种有效的荧光探针设计方法。

本项目集中于开发新型高选择性、高灵敏度氰化氢近红外荧光探针，并进一步将其应用于生物细胞以及活体中检测氰化氢的浓度及分布。同时，本项目还在近红外荧光探针、同时检测多种被分析物荧光探针、活性氧试剂荧光探针以及活性硫试剂荧光探针等几个主要相关研究方向上取得了一系列研究成果。已完成的研究成果如下：（1）通过调控分子内电荷转移机制，开发出氰化氢比率型近红外荧光探针，并将其应用于生物细胞和组织内监测氰化氢的浓度及分布。（2）通过增加共轭程度和调控分子内电荷转移效率，开发出二氧化硫近红外比率型荧光探针。（3）设计多功能荧光探针，在不同荧光通道同时检测生物体系内多种被分析物，包括次氯酸/单线态氧、酯滴/蛋白质聚集体、生物硫醇、硫醇/硫化氢。（4）通过两步串联识别反应，开发出同时具有大浓度范围和高灵敏度性能的单线态氧荧光探针；通过多种荧光淬灭机制协同作用，开发出低背景的次氯酸荧光探针。（5）基于光诱导电子转移机理，开发出硫化氢荧光探针。通过本项的资助，培养了14名研究生（毕业6名，在读8名），在高水平期刊已发表 SCI 论文 11 篇，并授权发明专利4 件。