基于自组装的两亲性氟离子荧光探针的设计、合成及生物成像研究

Detection of fluoride ion in aqueous media, including in physiological environments, has been a challenging task in probe research. Due to high electronegativity of fluoride ion, current fluorescent fluoride probes hardly meet the requirements of rapid detection in aqueous media and biological applications. On the basis of previous study, a series of amphiphilic probe molecules will be desgined and synthesized by the introduction of hydrophilic targeting sugar molecules and hydrophobicnear-infrared fluorescent dye. The resulting molecules will spontaneously self-assemble into novel nano fluorescent probes with amphiphilic structure when dissolved in aqueous media. On one hand, sugar molecules as modification moiety on the surface will improve the water solubility and biocompatibility; On the other hand, internal hydrophobic microenvironment will help probe for rapid fluoride detection. sensitivity and active targeting. Furthermore, nano characteristitcs, optical properties, active targeting, biocompatibility and bio-imaging application will be investigated. This project may overcome the shortcoming of current probe design and provide a groundbreaking approach for rapid aqueous fluoride detection and bio-imaging applications.

水介质包括生理环境中的氟离子识别和检测一直是探针研究的一大难题。由于氟离子的高电负性,现有小分子荧光探针难以满足对水中氟离子的快速检测和生物应用的要求。本项目在前期研究基础上，通过探针的合理设计，引入具有靶向功能的亲水性糖分子和疏水性近红外荧光染料，通过不同长链连接获得两亲性分子并在水中自组装，构建具有纳米结构的新型荧光探针。一方面，表面修饰的糖分子能有效改善探针水溶性和生物相容性,另一方面，利用探针内部的疏水微环境，实现对水中氟离子的快速检测。在此基础上，本项目将进一步研究探针的纳米特征、光学性质、主动靶向性、生物相容性及其生物成像应用。通过上述研究，将有助于突破现有探针设计瓶颈,为实现水介质中氟离子的快速检测及生物成像提供有益思路。

本项目发展了一种用于构建氟离子检测的光学小分子探针的新策略。基于所发展的方法和策略，顺利完成了氟离子荧光探针的制备和筛选，构建一系列具有良好理化性质、光学特性的小分子荧光探针，在水介质和生理条件下获得了对氟离子的快速识别和检测；进一步考察了探针的生物相容性好和细胞成像活性，所发展的探针展现出良好的生物应用前景。我们还发展了基于底物-酶相互作用的生物发光小分子探针。通过对萤火虫萤光素酶底物的合理修饰和改造，构建了一系列高选择性、高灵敏度生物发光探针，并成功地应用在对动物体内的氟离子可视化分析研究中。释放出萤火虫萤光素，能够在萤光素酶催化下发生氧化反应并发射生物发光信号。所发展的生物发光探针，具有信噪比高、干扰小等优势，更加适合动物体内对氟离子的检测和成像，为研究氟离子在生物体内的作用机制提供有力的化学工具。在本项目执行过程中，利用上述的荧光和生物发光小分子探针设计和构建体系，我们还实现了在活体水平上，对生命和疾病发生发展过程中重要靶点和活性物质的检测与识别分析，证实了我们所发展的光学可视化分析体系，具有广阔的生物成像应用前景。在本项目的研究结果发表高水平SCI论文（影响因子大于5）文章4篇。