适于细胞内氧化还原态可逆成像的双光子比率型纳米荧光探针

Intracellular redox homeostasis is essential to maintain the normal functions of living organisms. In this project, by conjugating highly specific and reversible recognition elements with functional nanomaterials with large two-photon absorption cross-section, we proposed a novel inorganic-organic nanohybrided fluorescent probe with two-photon ratiometric fluorescence properties, which is well suited for monitoring redox status changes sensitively, selectively and reversibly in cells and tissues. Next, by taking advantages of the two-photon nanoprobe, we attempt to sensitively visualize the changes in the level of endogenous redox species in tissue under oxidative or reductive stress. Inspired by the performance of the nanoprobe, we further study the relationship between the alterations of cellular redox status and the relevant physiological and pathological processes. These investigations will not only establish two-photon ratiometric fluorescent nanoprobes with distinct advantages, such as high sensitivity, high specificity, and redox reversibility, but also provide a reliable and accurate approach to determination of cellular redox status changes, and moreover a methodology to study the molecular events involved in redox regulation.

细胞内的氧化还原变化及其动态平衡对于生物体正常机能的保持至关重要。为了更加准确、灵敏地分析细胞氧化还原可逆状态及其动态变化，本项目拟通过设计合成高选择性识别的可逆反应配体及制备具有较大双光子吸收截面的功能纳米材料，构建无机-有机复合体系的双光子比率型纳米荧光探针，实现高灵敏、高选择性、可逆地荧光分析细胞以及组织内的氧化还原状态变化。在此基础上，利用双光子比率型纳米荧光探针的优势，灵敏地检测氧化或还原应激环境下，组织中内源性氧化还原物种的水平及其变化。同时，进一步研究细胞氧化还原状态变化与相关生理病理过程的关系。通过本项目的实施，不仅建立了一种高灵敏、高选择性、具有氧化还原可逆响应的双光子比率型纳米荧光探针，而且为检测细胞氧化还原状态变化提供了一种有效的分析方法，为进一步研究细胞氧化还原调控的分子机制提供了方法学基础。

氧化还原反应及其动态平衡对细胞增殖、损伤和凋亡具有重要影响。能够准确、可逆地检测细胞氧化还原状态及其动态变化，对于理解和研究氧化还原平衡在细胞生理和病理中的作用，预防和治疗疾病，具有重大的意义。本项目中，我们利用无机-有机复合体系的功能集成和调控效应，提高了无机-有机复合体系的选择性、可逆性、生物兼容性与光学稳定性，开展了适于细胞内氧化还原状态分析的新型纳米荧光探针的设计、制备与应用研究。我们设计并发展了能够可逆检测还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的量子点水凝胶荧光探针，该量子点水凝胶制备方法简单、成胶条件温和、溶胶-凝胶可以相互转换，具有多孔性和生物相容性。基于其优异的分析性能，实现了量子点水凝胶荧光传感和成像单个细胞受NAD+调控的生物催化转化过程；设计与合成了同时具有水溶性、化学选择性、荧光稳定性和可逆荧光响应等特点的基于纳米金簇的无机-有机复合荧光探针，有利于开展细胞内氧化还原状态变化的荧光传感与成像；提出了通过金纳米簇掺杂杂原子硒或碲赋予发光金簇对氧化还原性物质具有可逆荧光响应的新方法；此外，我们首次利用具有氧化还原活性的纳米金簇荧光探针成功实现荧光在线检测SD大鼠在全脑缺血以及再灌注过程脑部渗析液内过氧亚硝酸根的含量变化。至今，我们已经基本完成了项目中的各项任务，在Anal. Chem.、Biosens. Bioelectron.等专业期刊上发表SCI收录论文6篇，取得了较好的研究和应用成果。