可控小分子近红外荧光探针的构建及其在单细胞成像分析中的应用

Single target imaging analysis technology is a cutting-edge technology for life sciences, which can reveal subtle differences between molecules concealed in macroscopic detection, and is of great significance for mechanism research, biological monitoring analysis and the exploration of disease diagnosis and treatment. With the fast development of imaging technology, near-infrared fluorescence imaging technology has been widely applied in the fields of single cell or single molecule analysis. However, some shortcomings of optical probes used in the field, including low anti-interference, quantum yield and biocompatibility, greatly limit the development and application of imaging technology. To solve these problems, on basis of the recent established strategies of probe formation and cell imaging analysis by our group, this project aims at the development of new near-infrared fluorescence probes by the combination of DNA nanotechnology of precise programmability with squaraines of excellent optical properties, then providing insight on fundamental understanding of the signal generation mechanism and transformation mechanism. Besides, we plan to carry out the simulation of complex life system research from the microscopic quantum chemical calculation level. On this basis, a new in-situ imaging analysis is established to study the intracellular multiple functional materials simultaneous and dynamical imaging analysis in real time, providing powerful imaging technique and theoretical platform for the interpretation of the nature of life and the investigation of disease mechanism at the single cell or molecule level.

单个靶分子成像分析技术能够揭示掩盖在整体平均下的微观信息，是生命分析化学的研究热点，对机理研究、生物监测分析与疾病诊疗的探索具有重要意义。近红外荧光成像技术是单细胞、单粒子分析研究中不可或缺的工具，但是现有探针在抗干扰、量子产率、生物相容性等方面的不足极大限制了成像技术的发展及应用。本项目针对这些问题，以我们前期所建立的探针研发及细胞成像分析等研究积累为基础，将具有精准编程的DNA纳米技术与光学性质优异的方酸菁分子相结合，旨在研发构建新一代近红外荧光探针，深入研究多维度下探针成像信号的产生机制和转化机制，并从微观量子化学计算层面开展对复杂生命体系的模拟研究。在此基础上，建立单细胞内生物功能分子原位成像分析新方法，实现单个活细胞内多种物质的动态监测及分子层面上的成像分析，为单细胞、分子层面上生命本质的阐释及疾病机制的探索提供强而有力的技术支持和理论平台。

荧光成像技术是分析研究中不可或缺的工具，对机理研究、生物监测分析与疾病诊疗的探索具有重要意义。本项目围绕性能优异分子探针的可控制备及其在生物分子识别与成像分析中的应用等问题展开研究，利用密度泛函理论和计算机模拟等手段，系统研究探针发光机理及开展对复杂生命体系的模拟研究，为电子、分子层面上阐释生理及病理机制提供强而有力的技术支持和理论平台。（1）通过改变晶体态分子间堆积模式和单体态分子内电子分配方式，设计合成了对氨基苯甲酸乙酯类方酸菁近红外分子探针且成功应用于细胞成像，并通过密度泛函理论证实了激发态分子间双质子转移机制。（2）提出"增苯策略"构建了高效双态近红外方酸菁分子探针，通过功能化修饰实现对细胞质、溶酶体、线粒体的靶向识别与成像分析。（3）通过在不同取代位置上外延具有转子特性的蒽基，设计合成了三种同分异构近红外双态发光吲哚方酸菁分子探针，并将其应用于粘度检测和细胞成像。（4）构建了一种具有H-二聚体纳米球结构的两亲性方酸菁分子探针，通过分子动力学模拟和重组能计算揭示了其低频面外振动模式加速的非辐射衰变使激发态能量迅速耗散为热，表现出超高光热转换效率，成功应用于光热治疗领域。（5）以三苯胺为电子供体，以1,8-萘内酰胺为电子受体构建了D-A型荧光分子探针，实现了超低浓度下的细胞成像。（6）以1,8-萘内酰胺为基础，利用共轭和扭曲结构构建高效双态荧光分子探针，成功应用于精确的溶酶体成像，能够实时监测溶酶体状态和变化。（7）以末端脱氧核苷酸转移酶延伸的聚胸腺嘧啶为模板合成铜纳米团簇制备无标记荧光探针，构建了发夹DNA分子探针检测甲基转移酶活性新方法。（8）通过引入顺-3,5-二甲基哌啶合成了两种具有双态发光特征的不对称结构分子，并详细研究了其双态发光和溶剂致荧光变色性质。（9）开展了通过质子化和阴离子的协同效应调节有机荧光分子的晶体形态和发射行为的研究。（10）利用荧光光谱法和计算机模拟研究了Indisulam分子与人血清白蛋白的相互作用。在本项目的资助下，发表SCI论文10篇，申请专利1项。