基于邻位硼酸催化点击反应的半胱氨酸和同型半胱氨酸新型有机荧光探针及生物成像研究

Small molecular biothiols play important roles in human physiology. Thus, the selective and sensitive detection and visualizing of Cys and Hcy are very important to gain deeper insight into the physiological roles of such biothiols. Aromatic aldehyde with an ortho-boronic acid substituent cyclizes with cysteine or homocysteine at biologically compatible condition with a very rapid constant rate. The neighboring boronic acid group not only catalyzes the cyclization reaction, but also stabilizes the products by forming N-B dative bond. This reaction shows great potential as a novel click reaction and has been employed as a platform for the construction of fluorescent probes for the detection of Cys and Hcy in this project. These probes show fast response (few seconds to minutes) to cysteine and homocysteine even in the presence of micromole concentration of glutathione (the most abundant intracellular small molecular thiol), which could be used in the detection and imaging of cysteine and homocysteine in vitro and vivo. As far as we know, the design strategy in this project has not been reported previously in the area of fluorescent probes.

生物小分子硫醇半胱氨酸和同型半胱氨酸在众多生理过程中扮演重要角色。因此，开发在生理条件下定性定量检测半胱氨酸和同型半胱氨酸的方法具有重要意义，有助于阐明它们在人体内行使的生理和病理功能。半胱氨酸和同型半胱氨酸可以与邻位硼酸芳香醛在生理条件下发生快速的环化反应，邻位硼酸基团不仅催化了半胱氨酸和同型半胱氨酸与醛基的环化反应，同时通过生成N-B键稳定了产物。截止到目前为止，该反应仍未被用于荧光探针的设计中。本项目基于此新型的点击反应构建了系列识别传感半胱氨酸和同型半胱氨酸的荧光探针。该类型的探针能够快速的荧光传感半胱氨酸和同型半胱氨酸，而体内广泛存在且结构相似的小分子硫醇谷胱甘肽不干扰也不消耗探针。该类型探针能够用于细胞和活体内半胱氨酸和同型半胱氨酸的特异性传感。

半胱氨酸和同型半胱氨酸在众多生理和病理过程中扮演重要角色。因此，开发特异性识别传感半胱氨酸和同型半胱氨酸的方法有助于阐明它们在人体内行使的生理和病理功能。由于体内含有与半胱氨酸和同型半胱氨酸结构相似且含量丰富的小分子生物硫醇谷胱甘肽，因此开发能够不受谷胱甘肽干扰和消耗的荧光探针具有重要的意义。醛基可在生理条件下与半胱氨酸和同型半胱氨酸发生环化反应，该反应不受谷胱甘肽的干扰，被广泛应用于半胱氨酸和同型半胱氨酸探针设计。但该类型探针反应速度慢，不利于半胱氨酸和同型半胱氨酸的实时检测与实际应用。（1）半胱氨酸和同型半胱氨酸可以与邻位硼酸芳香醛在生理条件下发生快速的环化反应。基于此邻位硼酸催化的环化反应构建了识别传感半胱氨酸和同型半胱氨酸的荧光传感体系。该类型的荧光传感体系能够快速的检测半胱氨酸和同型半胱氨酸。（2）进一步采用醛基活化策略，发现芳基酮醛可与半胱氨酸在水溶液中发生快速的成环反应。这是由于羰基与醛基直接相连，吸电子的羰基活化了醛基，从而导致醛基与半胱氨酸反应非常迅速。基于芳基酮醛和香豆素荧光团，构建了快速识别传感半胱氨酸的新型荧光探针。该探针可在三分钟内对半胱氨酸实现快速的荧光增强型识别传感，并且具有良好的选择性，同型半胱氨酸和谷胱甘肽等结构相似的小分子生物硫醇没有造成明显的干扰。（3）碳点是一类新型的荧光传感纳米材料，具有生物兼容性好、光稳定性强、易于合成和提纯等优点。以叶酸和钴离子为前体，通过水热法合成得到了具有非常强荧光的碳点。由于钴离子与半胱氨酸的巯基和羧基具有很强的配位作用，因此与半胱氨酸作用后，碳点的荧光剧烈下降，且同型半胱氨酸和谷胱甘肽不能干扰碳点对半胱氨酸的检测，该碳点被用于检测血液中的半胱氨酸。（4）半胱氨酸与铁的生理功能密切相关，缺乏半胱氨酸可诱导胰腺癌细胞铁死亡，研究半胱氨酸与铁的互作关系具有重要的意义。对铁相关的荧光探针进行系统综述有助于对整个领域的了解与掌握，在本项目资助下，发表了检测细胞内铁离子、血红素和相关酶的荧光探针的综述文章。