多功能修饰的近红外荧光探针与线粒体内铜离子检测成像

Near-infrared (NIR)-fluorescence imaging is widely recognized as an effective method for high-resolution and high sensitivity bioimaging because of its minimized biological autofluorescence background and the increased penetration of excitation and emission light through tissues in the NIR wavelength window. In this project, the terrylenediimides, the well-known NIR fluorescent dyes with exceptional photochemical stability and excellent optical properties, are substituted with multifunctional groups for imaging dynamic mitochondrial copper stores in living cells with metal ion and spatial specificity. These probes are prepared with multi-block structures: the terrylenediimides as NIR fluorescence cores, the branched oligo (glutamic acids) as the scaffold for suppressing the aggregation of the central terrylenediimides chromophore, the glucose as hydrophilic shells for inducing water solubility and reducing cytotoxicity. The alkyltriphenylphosphonium ions are conjugated to the NIR fluorescent cores. The use of lipophilic cations the alkyltriphenylphosphonium moiety enable the delivery of the NIR fluorescent molecules to mitochondria. The azatetrathia is used as receptor for Cu+, and the binding of the Cu+ is translated into a fluorescence increase through a intramolecular charge transfer (ICT) switching mechanism.

近红外荧光检测成像具有高信噪比、深穿透度以及良好的空间分辨率等特点，是最具发展潜力的生物成像技术。本申请项目计划：选用具有良好光稳定性、荧光性质优异的三萘嵌二苯酰亚胺作为近红外发光中心，通过多功能修饰，合成能够在细胞线粒体内靶向积累的近红外荧光分子探针，并实现细胞线粒体内一价铜离子的检测成像。具体研究思路：通过支化结构包裹发光中心，抑制发光中心在水溶液中分子聚集引起的荧光淬灭，以实现荧光分子探针在水溶液中具有高荧光量子效率；在支化结构末端引入亲水性、生物友好性的葡萄糖作为端基修饰基元，以实现近红外荧光分子探针的水溶性，同时改善探针的细胞相容性；选用三苯基烷基膦正离子作为细胞线粒体定位基团，实现荧光探针在细胞线粒体内靶向积累；选用氨基多硫醚基团作为一价铜离子识别基团，利用探针与一价铜离子作用可以阻断分子内电荷转移过程，使荧光增强的性质，实现一价铜离子的检测成像。

近红外荧光检测成像具有高信噪比、深穿透度以及良好的空间分辨率等特点，是最具发展潜力的生物成像技术。本项目通过分子结构优化制备了具有高稳定性的硅基罗丹明近红外荧光分子；选用3,6,12,15-四硫-9-氮杂十七烷为一价铜离子的配位结合响应中心，并通过亚甲基将硅基罗丹明近红外荧光发光中心与配位结合响应中心连接，设计并合成了一价铜离子近红外荧光分子探针SiR-Mito-CP。荧光实验结果表明：荧光分子探针SiR-Mito-CP具有很好的水溶性；对一价铜离子有高选择性荧光增强响应，荧光响应倍数为17倍，其亮度（ε×Φ）高达27000。活细胞实验结果表明：SiR-Mito-CP探针能进入细胞内并在线粒体内累积，其细胞线粒体共定位系数高达0.90；同时SiR-Mito-CP荧光探针能够实现细胞线粒体内一价铜离子浓度动态变化的高灵敏度检测成像。. 本项目的研究成果证实：硅基罗丹明荧光分子探针SiR-Mito-CP的吸收与发射最大峰均大于650nm，处于近红外区，SiR-Mito-CP探针水溶性好、发光亮度高，能够实现对细胞线粒体内一价铜离子高选择性、高灵敏度动态检测成像，是一类性能优异的细胞线粒体一价铜离子响应型近红外荧光分子探针。