特异性标记RNA可视化核仁的有机/无机杂化吡啶盐的设计及作用机制研究

Imaging or staining nucleolus of live cell using target-RNA molecular fluorescent probes is a very important technology in medical diagnosis and biomedical research because it allows the investigation of the distribution, migration and transcriptional dynamics of the cell nucleus. Some factors, for example, the mechanism of RNA and fluorescent probes interaction is unclear, which result in RNA probes used in practical application are scarce. SYTORNA-Select is the only commercial dye for live cell RNA imaging at present, which has the greater toxicity. The molecular structure and synthetic method of SYTORNA-Select has not been published yet. The project will design materials molecules scientifically based on the earlier study and literature survey, we will select the different organic parts and anions to prepare organic/inorganic pyridine salts having good cell membrane permeability and biocompatibility that can target to locate cell nucleus and specifically labeling RNA (rRNA) in the nucleolus, explore the relationship between the structure and properties, confirm the mechanism between the molecules and RNA(rRNA) interaction by time-resolved fluorescence spectroscopy, tunable ultrafast laser spectroscopy and x-single crystal diffraction, further optimize the structure to adjust the emission band and biocompatibility, which would obtain single and two-photon fluorescent probes with excellent performance based on recognizing RNA (rRNA), develop a commercial dye labeling nucleolus RNA (rRNA) of living cells.

通过靶向RNA的荧光探针分子来显影或染色活细胞的核仁，研究细胞核的动态转录、迁移和分布，是医学诊断和生物医学研究上一种非常重要的技术。但因RNA和荧光探针间作用机制不明确等因素，能实际应用的RNA探针稀少。SYTORNA-Select是目前唯一对活细胞RNA显影的商品染料，但其毒性较大、明确的分子结构及合成方法未见报道。本项目基于前期研究基础和文献调研，拟科学设计材料分子，选配不同结构的功能有机基元和对阴离子，制备细胞膜穿透性强、生物相容性好、能靶向定位细胞核、特异性标记核仁中RNA(rRNA)的有机/无机吡啶盐。利用时间分辨荧光光谱、可调谐超快速激光光谱和X-单晶衍射等实验技术，明确材料分子与RNA作用的方式、机制，总结构效关系；优化结构，调节发射波段和生物相容性，获取性能优异的RNA(rRNA)单/双光子荧光探针；力争研发出标记活细胞核仁RNA(rRNA)的商品染料。

经过四年的研究周期，完成了其预期的研究目标。在2018-2021年中，项目选择了不同结构的功能有机基元和对阴离子，制备细胞膜穿透性强、生物相容性好、靶向亚细胞器的有机/无机吡啶盐，利用时间分辨荧光光谱、可调谐超快速激光光谱和激光共聚焦显微技术等实，明确材料分子与细胞内物质（RNA，O2，电子转移）作用的方式、机制，总结构效关系；优化结构，调节发射波段和生物相容性，获取性能优异单/双光子有机/无机吡啶盐材料。具体如下：合成出若干结构明确的有机材料及有机/无机吡啶盐，其中可有效可视化细胞核、特异性标记RNA(rRNA)有机/无机吡啶盐4种，明确作用机制，监测多个亚细胞器的动态行为；其中部分吡啶基有机材料及盐，可作为不同亚细胞器靶向的单/双光子荧光探针，监测生命活动过程中多个亚细胞器的动态行为，总结构效关系，为该类探针材料的分子设计提供相关理论和实验依据；还有部分有机无机吡啶盐，可作为光动力学治疗的高效光敏剂，明确其治疗机制，为该类光敏剂材料的分子设计提供相关理论和实验依据；相关成果在SCI收录期刊上发表论文38篇 (JCR大类一区16，JCR大类二区12)；培养博士生5名（已毕业3名，在读2名），硕士生27名（已毕业11名，在读16名）；获批国家发明专利一件，实审中一件；获安徽省自然科学奖三等奖，其取得的研究成果超过了预期结果。