硫化氢引发新型自放大级联体系的设计合成及细胞成像应用研究

Hydrogen sulfide (H2S) is an endogenously generated signaling molecule, like nitric oxide (NO) and carbon monoxide (NO) that plays an important role as the list of biologically-relevant gasotransmitters. To improve sensitivity and limit of detection in traditional fluorescent probes, this project intends to introduce and develop new self-propagating cascades for the optical sensing of hydrogen sulfide. To explain the working process, chemical reaction between azide and hydrogen sulfide induces the decomposition of the fluorescent molecule through quinone methide elimination to offer carbonyl sulfides and fluorophores. Subsequently, ubiquitous enzyme carbonic anhydrase (CAs) converts COS to H2S which forms a self-propagating cycle to generate colorimetric and fluorogenic signals continuously until all compounds decompose. This project is aiming to build up a new strategy for higher sensitivity and selectivity, lower limit of detection for hydrogen sulfide, coupling with ratiometric signal changes. The new protocol will be employed for the cell imaging of exogenous and endogenous hydrogen sulfide which potentially creates a more rapid, high sensitive, as well as powerful diagnostic assay for the early detection of hydrogen sulfide-related diseases.

硫化氢（H2S）是继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后的第三种内源性气体信号分子，其代谢异常与心脏病、高血压等多种心血管疾病有关。针对设计高灵敏、低检测限检测硫化氢荧光分子探针方面的挑战，本项目致力于开发一种新型的化学引发自放大级联体系，利用叠氮基团与硫化氢的氧化还原反应引发体系分解，释放羰基硫（COS）和信号分子，通过碳酸酐酶催化COS水解释放更多的硫化氢分子，引发体系循环反应，达到硫化氢分子自集聚和光学信号级联放大的目的。自放大级联体系将通过紫外和荧光信号的比率变化，实现对硫化氢分子低检测限、高灵敏度以及选择性检测，进一步探索体系对内源性和外源性硫化氢分子的细胞成像和荧光信号放大，拟建立一种新型检测痕量气体信号分子的化学体系和方法，为与硫化氢相关的各种疾病的早期诊断奠定坚实的理论基础，提供有力的技术手段。

本项目致力于将分子引发自放大（循环）级联技术引入荧光传感识别，设计结构新颖的荧光分子探针，组装构建新型化学引发自放大级联体系，通过微量浓度化学分子引发光学信号的级联放大，实现对其高灵敏度、低检测限检测的目的。并将其应用于活细胞内目标物的检测和荧光成像，建立一种对生物相关的细胞内源性和外源性硫化氢分子灵敏高效检测的新方法。项目实施过程中遇到原设计探针化学合成方面的困难，包括反应收率低、副反应增多、结构稳定性差、水溶性差等问题，进一步对探针结构进行了调整，增加水溶性基团、构建稳定反应位点、提高反应收率等措施。主要学术成果1：设计合成了一种远红光发射的双光子荧光探针，利用细胞发生炎症反应时通常会导致其粘度增加以及氧化应激两个特点，能够同时检测细胞当中的粘度变化和过氧化氢含量，进一步提高探针检测炎症过程的准确性。同时，该探针在检测过氧化氢的同时还能够释放微量的硫化氢，通过释放的硫化氢实现对细胞炎症的抑制，最终实现了诊疗一体化的目的。主要学术成果2：构建了化学引发自放大（循环）级联体系，设计开发了硫醇引发的水凝胶自循环级联和荧光信号放大体系，通过大分子软物质材料的宏观降解和光学信号自放大循环扩增，实现了对生物活性分子谷胱甘肽的无背景干扰的痕量检测。这一光学检测策略代表了新一代有前途的智能刺激响应材料，为开发即时诊断便携设备提供新思路。主要学术成果3：在上述科学探索过程中，开发了新的化学反应体系，构建全新的“茚酮烯”光致发光平台，实现了软物质材料在凝胶化、结构重塑和化学降解中共价键合过程的实时观察和跟踪，并建立了光学-力学-时间变化之间的响应关系。通过光信号实时观察和跟踪软材料的改造和再生预示着光学“智能”材料新时代，这一工作将对“智能”刺激响应聚合物的探索具有参考价值。