基于监测线粒体质控的发光金属配合物探针设计

Mitochondria play critical roles on the metabolism of live cells by producing ATP and intracellular signaling transduction. Mitochondrial quality control (MQC) is important to maintain the normal state of the mitochondria and prevent dysfunction of mitochondria, which is highly related to age-related diseases, metabolic diseases, degenerative diseases and tumor. Thus, development of appropriate probe to monitor the process of MQC is important to understand the mechanism of dysfunction of mitochondria. Since mitochondria membrane has negative charge with potential of ca. 180 mV, we propose to use luminescent metal complexes as mitochondria targeted bioprobe and monitor the process of MQC. In this work, we design luminescent metallosalen complexes by modulation of ligands structure to tuning their charge states and redox potential. Toward this approach, we also change the central metals with different valences to control the charge state. Importantly, we would employ these complexes as probes to monitor the change of mitochondrial membrane potential, and lighten the mitochondrial quality control process using one and two photon fluorescent microcopies. More importantly, these probes would be designed to detect molecular events such as specific reactive oxygen species or other signaling molecules during MQC process. Based on this, it would provide a reliable criterion for drug effectiveness evaluation and platform for fast screening of new drugs treating mitochondria related diseases.

线粒体作为细胞的能量工厂和信号转导中心，对保证细胞正常生命活动起关键作用。因此线粒体质量控制(mitochondrial qualitycontrol，MQC)在维持细胞的生存和参与细胞死亡过程中显得及其重要，在控制和治疗衰老相关疾病、代谢性疾病、退行性疾病以及肿瘤等中具有重要意义。在本工作中，我们以Salen配体为基本骨架，通过调节金属中心和配体结构，设计线粒体靶向的发光配合物。通过探测线粒体膜电位的变化，实时监控线粒体质控发生过程。这些发光分子还将用于线粒体内活性氧物种或者其他信号分子的研究特异性响应。在此基础上，考察线粒体质控通路的信号转导以及小分子干预过程，有助于我们理解线粒体质控的发生发展和线粒体损伤相关疾病的病理机制。

线粒体作为细胞的能量工厂和信号转导中心，对保证细胞正常生命活动起关键作用，与衰老相关疾病、代谢性疾病、退行性疾病以及肿瘤等的控制和治疗有密切联系。按照申请书内容和计划(NSFC: 21571007, 01/2016 至 12 /2019)，我们以Salen配体为基本骨架，通过调节金属中心和配体结构，设计线粒体靶向的发光配合物，靶向线粒体膜，研究亚细胞器间传输过程。我们主要进行了两个方面的工作：1）分子设计，通过配体中引入硫鎓正离子，硫原子衍生状态等修饰，发现亲脂性和表面静电势是影响亚细胞定位的两大关键因素，具有高Log P值的分子倾向于定位在溶酶体，而具有低NESAP值的分子倾向于定位在线粒体，另外正电荷个数对细胞摄取和亚细胞定位的较大影响。从金属电荷的角度出发，引入高电荷金属离子置换地电荷金属离子将是金属配合物带正电荷。通过铝（Al3+）置换锌（Zn2+）离子，我们报道了一种可以作为细胞内微粘度探针的Al(salen)配合物[AlSalen]+Cl−。我们还合成了具有穴醚类结构三核铝salen配合物（LAl3），有效抑制配合物的分子间聚集效应，发现其通过能量相关的细胞摄取途径进入细胞，并定位在溶酶体。2）动态追踪考察线粒体相关亚细胞器分子事件过程。在充分理解金属配合物的分子结构和功能的基础上，我们首次报道了一种具有较高的亲脂性，可以高选择性的分布在细胞内的疏水结构——脂滴的Zn(salen)类荧光探针LD-TPZn，可用于监测前脂肪细胞脂肪形成过程中的脂滴生长。我们还发展一例新型铝salen荧光探针AlL借助金属诱导的路易斯酸反应性来探测细胞内分子事件，可以监测细胞中的转运过程，并且可以看到包含AlL的囊泡顺着微管运输。另外，设计了一例可定位于线粒体和内质网的主族金属salen配合物，具有引发内质网氧化应激的功能，对癌细胞有较强的杀伤能力。 综上所述，我们从靶向线粒体的金属配合物探针设计出发，构筑数例可定位于线粒体的新型分子探针，探究动态追踪考察线粒体及相关亚细胞器分子事件过程，为精准合成金属探针及相关功能提供了新思路。