细胞内钾离子定量分析检测荧光传感器的合成与性能研究

Potassium ions play diverse and important roles in biological functions. Normal concentration of intracellular potassium ions is around 130 – 180 mM. The imbalance of the potassium ions will cause various diseases and even cancer. However, because of the specific characteristic of the high intracellular potassium ion concentration, currently there is an extreme lack of suitable sensors for analysis, detection, and monitoring of intracellular potassium ions in live cells. We plan to develop new sensors for quantitative analysis and monitoring of intracellular potassium ions. We will use organic and polymer chemistry knowledge to design, synthesize, and develop new highly selective intracellular potassium ion sensors with dual fluorescence and FRET effect, capable for quantitative analysis of potassium ions using ratiometric method. We will validate the practicability of the sensors by studying the cellular uptake of the sensors and utilizing the new sensors for non-invasively and quantitatively analyzing live cell potassium concentrations and their changes under suitable stimuli conditions. The preparation of polymeric sensors will lay the foundation for multifunctional materials. The successful development of new sensors suitable for analysis of intracellular potassium ions will enrich the research field of potassium ion sensors and introduce novel materials important for biology research. This study will provide essential materials and tools for further understanding potassium channels and potassium biology, revealing the relationship between ion concentrations and diseases as well as cancer.

细胞内钾离子具有重要的生理功能，其正常浓度约为130-180 mM。钾离子平衡失调将导致包括癌症在内的多种疾病。然而由于细胞内钾离子浓度高的特性，目前能对活细胞内钾离子进行分析检测和监测的传感器还非常缺乏。本申请书计划研制可对细胞内钾浓度进行定量分析和监测的新型传感器。将利用有机及高分子设计与合成手段，研制出具有双色荧光和FRET效果、可用荧光比率法对钾离子进行定量分析、具有对钾离子高度选择性、并可以测量细胞内钾浓度的新材料。将研究细胞对传感器的摄取，利用新传感器对活细胞内钾进行无损伤定量分析，并在适当的刺激条件下检测细胞内钾流出和流入，以验证传感器的实用性。高分子传感器的研制将为材料多功能化打下基础。这些新传感器的成功研制，将极大地丰富钾传感器研究领域，弥补目前细胞内钾离子传感器的不足，为深入理解钾离子通道和钾离子生物学、揭示钾离子浓度变化和疾病以及癌症的关系提供强有力的工具。

钾离子是人体内重要的离子之一，也是细胞内含量最为丰富的离子。细胞内钾离子具有重要的生物和生理功能，包括细胞生长、细胞体积维持、基因调控、蛋白质功能控制以及酸碱平衡调节等等。因此本课题研究制备了一系列钾离子光学传感器，用于研究监测细胞以及生物体内钾离子浓度变化。首先合成了一种新型的比率型钾离子比色探针KS7，探针KS7在加入钾离子时，探针的紫外吸收发生蓝移，具有很好的比率响应，其吸光度比值与钾离子浓度有很好的线性关系，可以通过线性方程得到水溶液中钾离子浓度，并将其制备成为比色试纸，直接检测人尿液中钾离子的含量；其次制备了一种可光声成像的钾离子荧光传感器KS24，KS24对钾离子的检测具有高度的特异性，且有显著的光声信号变化，光声成像实验可以监测小鼠体内钾离子浓度变化；之后，合成了一种基于水溶性高分子骨架的比率型双色钾离子荧光传感器OEG-2，OEG-2能在水中形成稳定的纳米粒子，对钾离子具有显著的荧光响应，该传感器是比率型，可以应用于细胞成像排除干扰，比率地监测细胞内钾离子内流与外流。综合上述结果，本研究为监测细胞内钾离子浓度，研究与钾离子相关疾病以及研究钾离子通道的机制奠定了坚实的工作基础。该项目资助发表SCI检索论文13篇，其中影响因子6以上的文章8篇；申请专利4项，其中被授权一项；主办学术会议一次，参加学术会议并进行报告10次。培养已毕业硕士2名，已毕业博士2名，出站博士后2名，另外还有在读博士2名参与此项目研究。