近红外线粒体靶向pH荧光探针的合成及其在生物成像中的应用研究

Alkaline environment is the foundation for mitochondria maintaining its function, and it is also the premise for mitochondria regulating cells metabolism and triggering cells death. The mitochondrial pH changes can lead to its function disorder and further induce a variety of diseases. Therefore, the development of mitochondria-targeted near-infrared (NIR) fluorescent probes for quantitative detection of mitochondrial pH and bioimaging in real-time is of great importance. In this project, we would like to construct of NIR fluorescent push-pull electronic system by connect 7-hydroxyl coumarin derivatives and benzopyran oxonium with conjugated double bond through intramolecular charge transfer mechanism, and further modify it with mitochondria-targeted groups to develop series of NIR mitochondria-targeted ratiometric fluorescent probes for pH with good water-solubility, strong anti-interference ability and suitable pKa. It would be possible to diagnose the health status of mitochondria in real-time based on monitoring the pH changes in mitochondria after physiological environment changing. Furthermore, on account of bioimaging for the mitochondrial state and pH in real-time in the process of mitochondria-targeted therapy for cancer, we can preliminary explore the important role mitochondria plays in the process of cancer apoptosis. Implementation of this project will significantly contribute new design ideas for developing NIR mitochondria-targeted ratiometric fluorescent probes for pH which will have positive significance for promoting the diagnosis of mitochondrial diseases.

偏碱性的环境是线粒体维持其功能的基础，也是细胞调控代谢和管理凋亡的前提。线粒体pH的改变会导致线粒体功能的紊乱并诱发多种疾病。因此发展线粒体靶向近红外荧光探针对于线粒体pH实时定量检测和生物成像具有重要意义。本项目拟将7-羟基香豆素衍生物通过共轭双键连接在苯并吡喃鎓盐上，通过分子内的电荷转移机制构筑近红外荧光的推拉电子体系，并进一步对探针进行线粒体靶向修饰，开发系列水溶性好、抗干扰能力强、具有适宜pKa的近红外线粒体靶向pH比率荧光探针；在生理环境改变的条件下对线粒体pH的变化情况进行实时监测，进而对线粒体的健康状况进行实时诊断；而且，在进行线粒体靶向的癌症治疗过程中，对线粒体状态和pH进行实时生物成像，初步探索线粒体在癌细胞凋亡过程中所扮演重要作用。本项目为发展近红外线粒体靶向pH比率荧光探针提供新的设计思路，对推动线粒体疾病的诊断将具有重要意义。

线粒体是真核细胞内重要的细胞器，是细胞内有氧呼吸的场所。线粒体具有独特的双层膜结构，内外膜高达-180 mV的电势差是其发挥功能的基础，在细胞的新陈代谢、细胞信号的传导、调控细胞凋亡等方面发挥至关重要的作用。开发具有膜电势敏感的线粒体靶向荧光探针，用于线粒体疾病的诊断、线粒体靶向治疗和实时监控和具有重要意义。本项目以线粒体膜电势为目标，以具有脂溶性阳离子结构特征为设计策略，通过铑催化的环加成反应合成了系列具的异喹咛鎓盐系列化合物。通过系统的构效关系研究，考察了在异喹咛鎓盐不同部位修饰不同电性/共轭基团对探针的吸收/发射波长、荧光量子产率、线粒体靶向性能和光毒性等影响。在此基础上，开发了具有高荧光量子产率和低的光毒性的线粒体靶向荧光探针LIQ-3和具有优秀的活性氧产生性能的线粒体靶向光敏剂LIQ-9和LIQ-TPE。其中LIQ-3可用于线粒体超快荧光染色、高信噪比和高保真荧光成像。该探针克服了商业化线粒体的染料孵育时间长和信噪比低等缺点，在线粒体长时间实时监控、肿瘤细胞快速检测和癌症手术导航的可能展现出良好的潜力。LIQ-9和LIQ-TPE可用于光诱导细胞凋亡过程中线粒体自噬的实时监控，线粒体靶向的肿瘤光动力治疗以及细菌的光动力消融。同时，通过系统的筛选，开发了首例基于异喹咛鎓盐的染色体外围小分子荧光探针（ID-IQ），可以很好的解决核型分析过程中常见的难题，可以帮助分割接触或重叠的染色体，着丝粒的辨别和染色体形态鉴定。在染色体的细胞遗传学分析，辅助染色体疾病筛查、产前诊断和干细胞体外培养质量控制等方面展现了在实际应用中的广阔前景。此外，还开发了基于溶酶体和细胞核脂滴等细胞器靶向的荧光探针，用于细胞微环境的检测、脂滴的动态生理活动和疾病的实时监测和追踪。本项目的实施为发展长波长和高荧光量子产率的异喹咛鎓盐类荧光探针提供理论指导，对推动线粒体靶向疾病的诊断和治疗具有重要意义。