能够分别/同时检测硫化氢和二氧化硫的比率型荧光探针的设计、合成及其生物成像应用研究

Hydrogen sulfide and sulfur dioxide both are important signal gas molecules that play key physiological action in living systems, and participate in many pathophysiologic processes on cardiovascular system, endocrine system and immune system. The abnormal concentrations of hydrogen sulfide and sulfur dioxide are closely related with many diseases such as heart disease, cancer and arthritis. Therefore, the method that can detect hydrogen sulfide and sulfur dioxide separately/simultaneously, is important for preventing and diagnosing such diseases. To resolve the current problem that the fluorescent probes for detecting hydrogen sulfide and sulfur dioxide separately/simultaneously are absent, this project seeks to develop single fluorescent probes that can detect hydrogen sulfide and sulfur dioxide separately/simultaneously based on our previous research on the FRET fluorescent dyes and fluorescent probes. The FRET-based fluorescent probes take coumarin-naphthalimide or coumarin-rhodamine dyes as fluorescent platform, can provide powerful molecular tools for studying the biological functions of hydrogen sulfide and sulfur dioxide in living systems, as well as exploring the internal connection and coordination mechanism of hydrogen sulfide and sulfur dioxide in the diseases that the two small molecules simultaneously participate in. The developed fluorescent probes herein are of great significance for diagnosing the serious diseases in the early state.

硫化氢和二氧化硫都是在生命体系内发挥重要生理作用的气体信号分子，均参与心血管系统、内分泌系统和免疫系统中的多种病理、生理过程。在生命体系中，硫化氢和二氧化硫的浓度异常与心脏病、癌症、关节炎等疾病密切相关。因此，发展能够分别/同时检测硫化氢和二氧化硫浓度的方法，对重大疾病的预防和诊断具有重要意义。针对目前缺乏能够分别/同时检测硫化氢和二氧化硫的荧光探针这一问题，本项目基于本课题组前期在基于能量传递机制的荧光染料、荧光探针方面的研究，拟发展新型能够分别/同时检测硫化氢和二氧化硫的比率型荧光探针。这种新型荧光探针基于分子内能量传递机制，以香豆素-萘酰亚胺或香豆素-罗丹明为荧光平台，可为研究硫化氢和二氧化硫在活生物体系水平上的生物功能提供强有力的分子工具。本项目拟开发的荧光探针有助于探索硫化氢和二氧化硫在心血管疾病、免疫系统疾病中的内在联系和协调机制，对重大疾病的早期诊断具有重要意义。

硫化氢（H2S）和二氧化硫（SO2）都是可在生命体系内发挥重要生理作用的气体信号分子。生物体系内的H2S和SO2与心血管系统、内分泌和免疫系统中的多种病理、生理过程密切相关，检测这两种分子的浓度可以为预防和诊断相关疾病提供有效的方法，以及为探索相关疾病的病理机制提供有效的分子工具。发展能够分别/同时对生物体系内H2S和SO2浓度进行快速跟踪和检测的方法，有助于揭示H2S和SO2在各种生命活动的内在分子机制，以及深入探索这两种分子在心血管疾病、内分泌疾病和免疫系统疾病中的内在联系和协调机制。. 本项目的主要研究内容为：（1）设计合成基于FRET机制的具有良好能量传递效率的荧光染料；（2）将H2S和SO2的高选择性反应位点引入到上述荧光染料中，构建基于FRET机制的能够分别或同时检测H2S和SO2的荧光探针；（3）利用这些荧光探针对H2S和SO2进行荧光成像，检测活细胞或组织中的外源性和内源性H2S和SO2。. 本项目取得的重要结果和关键数据包括：（1）构建了癌细胞靶向型H2S双光子荧光探针。该探针对H2S具有很好的灵敏度和选择性。生物成像实验表明，该探针可选择性地检测HeLa等癌细胞内的H2S，具有一定的癌细胞靶向性；（2）构建了基于FRET机制的SO2荧光探针。基于FRET机制的荧光探针具有两个荧光团，以两个发射波长的比率作为信号输出，能够避免激发强度、外界环境对检测的影响。生物实验表明，该探针能够对活细胞和活斑马鱼的SO2进行荧光成像，且具有线粒体靶向性能；（3）构建了基于ESIPT和PET双机制的H2S双光子荧光探针。生物实验表明，该探针可以对活细胞中的外源性和内源性H2S进行荧光成像。. 本项目的重要理论意义在于发展的H2S/SO2荧光探针，可应用于活细胞内的H2S和SO2荧光成像，能够在活生物体系水平上为研究H2S和SO2的生物功能提供强大的分子工具，有助于揭示H2S和SO2在生物体内参与信号转导、免疫应激反应、体内的氧化还原平衡等各种生命活动的内在分子机制，对于心血管疾病等这两种分子共同参与的重大疾病的早期诊断具有十分重要的意义。