氘代生物发光体系及其活体分析研究

Bioluminescence based on firefly luciferase-luciferase system has been widely applied in many fields including biology, medicine, pharmacy. However the fast metabolism of luciferin leads to a short duration of bioluminescence signal which greatly hinders its further applications in vivo analysis. To solve this problem, the deuterium atoms are introduced into the metabolic active sites of the luciferin on the basis of the molecular modeling and deuterium isotope strategy. On the one hand, the C-D bond can reduce the metabolic reaction rate of luciferin, increase its level and retention time in vivo, resulting in higher signal intensity and longer luminescence duration. On the other hand, due to the similar size and nature of the deuterium atom and hydrogen atom, this modification would not effect luciferin-luciferase interaction and the original bioluminescent activity could be retained. On this basis, the project will further evaluate the physicochemical and optical properties, pharmacokinetics and pharmacodynamics characteristics of deuterated luciferin, and study its biosafety and bioimaging applications. This project will help to break through the existing bottlenecks in bioluminescence filed and provide valuable ideas to achieve long-term in vivo visualization analysis.

基于萤火虫萤光素-萤光素酶系统的生物发光已经被广泛应用在包括生物学、医学、药学等研究领域，但萤光素体内代谢过快导致的发光持续时间短的缺点阻碍了其在生物活体分析方面的进一步应用。针对这一瓶颈，本项目在前期研究基础上，通过对萤光素的分子模拟，应用同位素动力学效应，在底物的代谢活性位点引入氘原子。一方面降低萤光素的代谢速度，延长体内半衰期，增加体内的底物水平和保留时间，提高发光时间和发光强度；另外一方面，由于氘原子与氢原子的大小与性质接近，对底物-酶的相互作用影响小，能有效保留原有的生物发光活性。在此基础上，本项目将进一步研究和评价氘代萤光素的理化光学性质、药代动力学和药效学特征、生物安全性及其生物成像应用。本项目的实施将有助于突破现有生物发光瓶颈，为实现长时间活体可视化分析提供有价值的思路。

生物发光是自然界中的一种特殊的发光现象，能够将生物能几乎100%转化为光能。基于萤火虫萤光素-萤光素酶相互作用的发光体系已经被广泛应用在生命科学研究领域。但萤光素在生物体系环境中，尤其是活体内代谢速率较快，发光时间较短，常常无法实现长时间、高灵敏度、持续稳定的生物活体成像。本项目一方面通过在生物发光底物代谢活性位点引入氘提高C-D键能，降低发光底物在体内的代谢速度，从而显著提高底物在体内的浓度水平和保留时间，从而提高生物发光的持续时间和发光强度。所发展的氘代分子探针，具有稳定性高、生物相容性好、发光时间长、发光强度稳定的诸多优点，能够广泛应用于活体肿瘤定位、干细胞示踪、药物高通量筛选等生命科学和药学分析领域；另外一方面，项目通过对生物发光底物识别关键位点进行结构修饰，通过引入特定物质触发的化学结构，构建了多种能够在生物环境中高效、高特异性进行生物正交反应，成功发展了一系列高灵敏度、高特异性活体成像和高效检的光学分子探针，实现了对多种生命活动密切相关的重要物质（包括：汞离子、钯离子、亚铁离子、半胱氨酸、肿瘤线粒体、乳腺癌）的检测分析和活体可视化。本项目通过对生物发光底物系统的构效关系研究和合理的结构改造，对生物发光探针的化学结构、理化性质、光学特征、发光机制、代谢方式及其在体内外生物可视化分析中的应用进行了深入的、系统的研究。在本项目的资助下，在Acta Pharma Sin B和Anal. Chem.等主流药学和药物分析期刊，共发表了标注SCI论文10篇，相关成果进一步丰富了对光学可视化体系的认识，并将有力的推动探针在生命科学领域的广泛应用。