近红外发光稀土分子探针的设计和生物应用

Design of NIR emissive biological probes attracts increasing attention in recent years for the portential application in cell imaging to circumvent the background problems such as autofluorescence. However, most NIR active probes suffrered from the extremly low quantum yields, poor water solubility and etc. To address these isuues, we proposed to develop NIR emissive lanthanide complexes as biological probes for the element featured NIR emission. We will optimize high luminescence lanthanide complexes by tuning the modification of perfluorated porphyrinate ligands and thus modulate the electron transfer or energy transfer process. More importantly, we will study the relationship between the structure and biological behaviours such as cellular uptake and subcellular distribution. On the basis of the fundemental studies, we will attempt to apply these probes to visulizing the molecular events in living cells. This would provide new clue to NIR active biological probes and enrich the toolkit of cell imaging.

本申请项目针对近红外区域生物成像试剂的发光弱，水溶性等化学问题，围绕全氟代卟啉化合物为“母体”的稀土配合物的设计和合成，发展新型的近红外发光的金属配合物小分子探针。通过对配合物外围结构的调控，利用分子内及分子间的反应、电荷转移、能量转移等手段，考察其化学和光物理性质。研究分子结构与其生物摄取、定位之间的关系，监测活细胞的分子事件如pH变化等，为近红外发光生物探针的设计提供新思路。

针对近红外区域生物成像试剂的发光弱，水溶性修饰等化学问题，围绕全氟代卟啉化合物为“母体”的稀土配合物的设计和合成，发展新型的近红外发光的小分子探针。通过对配合物外围结构的修饰调控分子内及分子间的反应、电荷转移、能量转移等过程，考察其化学和光物理性质。研究分子结构与其生物摄取、定位之间的关系，监测活细胞的分子事件如 pH 变化等，为近红外发光生物探针的设计提供新思路。开展生物相容性修饰，利用稀土分子探针发光寿命长（微秒级）的优势，发展细胞/活体时间分辨成像，拓展分子事件定量化的近红外分子工具。重要结果、关键数据及其科学意义主要包括：1）区域异构化的发现，利用卟吩二内酯的镱化合物异构体，揭示了使用非常相似的分子来进行诊断或治疗的新方法，指出“异构赋能”作为的诊断和治疗试剂的新方向；2）近红外时间分辨成像，我们首次在稀土配合物上实现活体/细胞层次的pH定量化; 3) 芳香性和次级配位环境调控分子激发态耗散途径，发展新型光诊疗探针；4）发展金属置换策略，调控金属与配体激发态能量的传递过程，实现整个分子激发态能量的耗散途径的平衡，突破了分子光敏剂（包括金属配合物）设计中基于有机骨架（organic frame）修饰的传统设计思路，突出了“金属维度”。在项目实施阶段，共发表通讯文章\综述30余篇在JACS，Angew.Chem. 和Chem. Sci。等高水平杂志上，申请5个国内专利（4项获得授权）。研究工作受到国内/际同行广泛关注，多次在国内/际重要学术会议做大会/主题/邀请报告，相关工作被重要综述和研究论文正面评述和引用。基于在生物无机化学领域的学术贡献，我先后获得2018 年 ChemPubSoc Europe Early Career Award（欧洲化学出版协会青年科学家奖）；2018 年日本化学会 The Distinguished Lectureship Award (杰出学术报告奖)；2019 年 Wiley-ACES Excellent Young Professor (Wiley-亚洲化学出版协会杰出青年教授) 等国际/内学术荣誉。2020 年，我获得亚洲生物无机化学会 James Hoeschele AsBIC Award 奖。