检测氨肽酶活性的水溶性近红外荧光探针的设计合成及其在肿瘤活体成像中的应用研究

The physiological mechanism and diagnosis of malignant tumor are important research topics in the field of life sciences. Since aminopeptidase is a significant kind of cancer biomarkers and overexpresses in various tumors, it is useful to develop novel fluorescent probes and in vivo imaging approaches of aminopeptidase for the basic research as well as diagnosis of cancer. However, the current fluorescent probes for aminopeptidase are not suitable for in vivo tumor imaging mainly due to their short analytical wavelengths and poor water-solubility. With an aim to develop new water-soluble near-infrared fluorophores and the aminopeptidase-specific fluorescent probes thereafter, in this proposal, we will first construct new water-soluble fluorophores with the emission wavelengths in the region of 650 – 900 nm. Then, the specific amino acid residues will be introduced appropriately to prepare new water-soluble near-infrared fluorescent probes, which can selectively detect aminopeptidase activity according to the fluorescence signal arising from the specific cleavage of the amino acid residues by aminopeptidase. In combination with near-infrared fluorescence imaging, in-situ real-time imaging of aminopeptidase in cells and living organisms may be carried out. Moreover, the proposed in vivo imaging approach will be used to study the physiological functions of aminopeptidase in small animal tumor model, which may provide new means for the diagnosis of malignant tumor.

恶性肿瘤的生理机制及诊断是生命科学领域的重大研究课题。氨肽酶是一类重要的肿瘤标志物，在多种恶性肿瘤的发生和发展中都呈现明显的高表达。构建氨肽酶的特异性荧光探针并据此发展氨肽酶活性的实时原位分析与活体成像新方法对恶性肿瘤的基础研究及诊断有非常重要的意义。然而，已有的氨肽酶荧光探针受波长短，水溶性差的制约，不适用于活体成像分析。本申请将针对以上关键问题，通过构建发射波长位于650-900 nm且富含水溶性基团的荧光母体，并修饰特定的氨基酸残基制备新的水溶性近红外荧光探针；利用氨肽酶对氨基酸残基的特异性切割反应改变探针的荧光信号，从而实现对氨肽酶活性的选择性检测；同时结合近红外成像技术，实现细胞和活体中氨肽酶活性的实时原位成像。此外，该氨肽酶成像分析方法将用于动物肿瘤模型中氨肽酶生理功能的研究，并有望为恶性肿瘤的诊断提供新的技术手段。

恶性肿瘤的早期诊断及生物机制研究是生命科学领域的重大课题，肿瘤标志物是关键的研究靶点之一。硝基还原酶在肿瘤缺氧微环境中过度表达，与肿瘤的发生和发展关系密切，是一类潜在的肿瘤标志物。本项目以性能优良的近红外半菁染料为信号响应单元构建了检测硝基还原酶的近红外荧光探针，该探针对硝基还原酶表现出高灵敏、高选择性的荧光增强响应，可用于硝基还原酶的灵敏检测。探针的近红外分析波长赋予了其良好的细胞和活体成像能力，据此发展的成像方法在肿瘤细胞和小至4 mm3的肿瘤活体成像中效果令人满意。该方法有望为恶性肿瘤的早期诊断提供新的技术手段。此外，发展的近红外半菁染料具有良好的光敏能力，为肿瘤诊疗一体化探针的研究提供了新的思路。在项目的支持下，分别基于近红外半菁染料和香豆素构建了检测氟离子的新型荧光探针，探针对氟离子表现出高灵敏、高选择性的荧光增强响应，且基于半菁染料的近红外荧光探针对氟离子的响应时间仅需10 s，是目前报道的唯一检测时间少于1 min的探针。这两个探针合成简单，可用于实际样品（如水样、牙膏）中氟离子的快速定量测定，为氟离子的检测提供了新的方法。另外，还开发了一系列易于制备、且稳定性好、水溶性佳、量子产率高的新型荧光碳量子点，这些碳量子点分别被用于实际样品中Fe3+、Hg2+、Cu2+等物种的传感分析及细胞中相关物种的成像，在荧光标记和成像领域具有广阔的应用前景。本项目已发表SCI论文6篇，中文文章2篇。项目执行中发展的新型荧光探针，为相关物种的检测提供了可借鉴的思路和新的技术手段，具有重要的理论意义和潜在的应用价值。