基于1,3-二氯-7-羟基...)的近红外荧光探针研究进展_马延慧.pdf

有机化学有机化学 Chinese Journal of Organic Chemistry REVIEW *Corresponding authors.E-mail:; Received June 23,2022;revised June 31,2022;published online September 8,2022.Project supported by the Graduate Student Innovation Ability Training Project of Hebei Province(No.CXZZSS2022101).2022 年河北省在读研究生创新能力培养(No.CXZZSS2022101)资助项目.94 http:/sioc- Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Chin.J.Org.Chem.2023,43,94111 DOI:10.6023/cjoc202206044 综述与进展综述与进展 基于 1,3-二氯-7-羟基-9,9-二甲基-2(9H)-吖啶酮(DDAO)的 近红外荧光探针研究进展 马延慧 武宇乾 王晓旭 高 贵*周 欣*(河北农业大学理工学院 河北沧州 061100)摘要摘要 1,3-二氯-7-羟基-9,9-二甲基-2(9H)-吖啶酮(DDAO)是一种优异的近红外荧光染料,具有近红外发射、低 pKa值(5.0)、高水溶性以及高量子产率(0.39),近年来在荧光探针领域受到广泛关注.研究证明,以该染料设计合成的荧光探针可以在温和的水溶液中工作,具有反应迅速、选择性和灵敏度高、检测限低以及比色信号变化明显等优异的传感性能.此外,该类探针的细胞毒性低,对于活细胞和生物体的检测具有显著的应用价值.综述了基于 DDAO 及其衍生物的荧光探针的研究进展,主要包括探针在生物酶、活性氧、活性氮、蛋白质以及 Pd0的识别检测中的分子设计、作用机理和应用,并对该类荧光探针的发展前景进行了展望.关键词关键词 1,3-二氯-7-羟基-9,9-二甲基-2(9H)-吖啶酮(DDAO);荧光探针;近红外;检测 Research Progress of Near-Infrared Fluorescent Probes Based on 1,3-Dichloro-7-hydroxy-9,9-dimethyl-2(9H)-acridone(DDAO)Ma,Yanhui Wu,Yuqian Wang,Xiaoxu Gao,Gui*Zhou,Xin*(College of Science and Technology,Hebei Agricultural University,Cangzhou,Hebei 061100)Abstract 1,3-Dichloro-7-hydroxy-9,9-dimethyl-2(9H)-acridone(DDAO)is an excellent near-infrared fluorescent dye with near-infrared emission,low pKa(5.0),high water solubility and high quantum yield(0.39),which has attracted much attention in recent years in the field of fluorescent probes.The researches prove that the fluorescent probes designed and synthesized based on this dye can work in mild aqueous solutions,and have excellent sensing performance,such as rapid reaction,high selectivity and sensitivity,low detection limit and obvious colorimetric signal change.In addition,the low cytotoxicity of this class of probes is of significant application for the detection of living cells and organisms.The research progress of fluorescent probes based on DDAO and its derivatives,mainly including the molecular design,action mechanism and application of probes in the recognition and detection of biological enzymes,reactive oxygen species,reactive nitrogen species,proteins and Pd0,is reviewed,and the development prospect of this type of fluorescent probes is prospected.Keywords 1,3-dichloro-7-hydroxy-9,9-dimethyl-2(9H)-acridone(DDAO);fluorescent probe;near infrared;detection 荧光探针是一种结合了分子识别和荧光技术的生物传感器,通常由荧光团和识别基团通过连接臂以共价键的形式连接而成.对特定的分析物或环境响应时,探针自身的荧光性质会发生改变,以此作为检测和识别的信号1-2.与传统的检测方法(电位法、极谱法或比色法)相比3-5,荧光探针具有操作简单、选择性好、灵敏度高、检测范围广、响应速度快以及对样品损伤小等优点6-7,已经被成功应用于生物医学、生命科学及环境科学等领 域8-9.荧光探针不仅可以检测阳离子和阴离子10-12,还可以检测活性氧13-15及硫化氢等小分子化合物16-18,近年来检测生物酶19和细菌20-21等生物活性物质的荧光探针也越来越多.最值得一提的是,由于部分荧光探针具有良好的生物相容性、高灵敏度、无创性、稳定的发射特性和实时成像等优点,使得基于荧光探针的生物成像技术发展迅速,现在已成为可视化多种生理和病理过程的有力工具22-24.但令人遗憾的是,发射波长小于600 nm 的荧光探针在进行活体荧光成像时组织穿透性差,会产生组织损伤,同时受到机体自发荧光的干扰,Chinese Journal of Organic Chemistry REVIEW Chin.J.Org.Chem.2023,43,94111 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http:/sioc- 限制了它们在活体成像方面的应用25-27.近红外(NIR)荧光探针的发射波长位于 650900 nm 之间,这些较长波长的光子在生物体内可以减少环境引起的光散射,具有更强的组织穿透能力,受到内源性色素团的干扰更少,通常在细胞成像过程中造成较少的光损伤.因此,近红外荧光成像方法被广泛应用于复杂的生物系统,成为荧光探针领域的研究热点.目前,常用的近红外荧光团有二氰基异佛尔酮类28-30、苯并吡喃腈31-33、菁染料34-36、半菁染料37-39、氧杂蒽衍生物40-42、氟硼吡咯43-45及 1,3-二氯-7-羟基-9,9-二甲基-2(9H)-吖啶酮(DDAO)46-47等.其中,DDAO 荧光团拥有很多优良的特性48-51.首先,受自身结构中分子内电荷转移(ICT)效应的影响,DDAO 分子的激发和发射波长(分别为 600 和 660 nm)均处于相对近红外区域,使其可以免受生物背景信号的干扰;其次,它的 pKa值相对较低(5.0),具有一定的水溶性,在磷酸缓冲溶液(PBS)中具有高量子产率(0.39);更重要的是 DDAO 荧光团带有暴露的可修饰羟基,可作为设计和开发荧光探针的理想荧光支架52.此外,通过对 DDAO 荧光团进行改造,例如将羟基改造为给电子能力更强的氨基53-54或者使 DDAO 进一步反应消去与苯环相连的氯原子55,又可以得到其他不同荧光性能的新型吖啶酮类荧光团.研究证明,基于 DDAO及其衍生物的荧光探针可以在温和的水溶液中工作,显示出优异的传感性能,包括反应迅速、高选择性和灵敏度、低检测限、近红外区显著的红移发射以及明显的比色信号变化.同时,这些荧光探针细胞毒性低,可方便地用于活细胞和生物体的检测56-57.因此,近年 DDAO类反应型荧光探针越来越受到人们的关注和研究,其应用于生物体荧光成像的文献报道也越来越多.然而,就我们目前能够查阅到的文献来看,并没有关于 DDAO 荧光探针的总结报道.因此,本文将对已报道的 DDAO 类荧光探针进行综述,主要介绍各种探针的合成及其在识别生物酶、活性氧、活性氮、白蛋白及Pd0时,探针本身结构与物化性能间的变化关系,期望对 DDAO 类功能分子设计合成方面的研究工作提供一些有用的参考信息.1 反应型生物酶荧光探针反应型生物酶荧光探针 1.1 酯酶及脂肪酶荧光探针 结核分枝杆菌(Mtb)作为结核病的病原体,是全球人类健康的重大威胁58,世界卫生组织(WHO)2019 年公布的全球死因数据表明,结核病是单一传染源的头号死亡原因,也是全球第 13 大死因.据 2021 年全球结核病报告,2020 年全球新发结核病患者 987 万,发病率为 127/10 万,病死率为 15%.脂质代谢酶类(酯酶/脂肪酶)在 Mtb 生命周期或其致病过程中发挥着重要作用,Mtb 以代谢宿主的脂质作为休眠和复燃期间的能量来源,这也是其能寄生于巨噬细胞内的关键因素59.因此,脂质代谢酶可以作为 Mtb 的诊断性生物标志物.活化的Mtb酯酶和脂肪酶体外表达和分离困难,因此用电化学法、放射化学法和高效液相色谱法等常规方法难以对其进行表征.生物荧光成像技术可以解决这个难题,它不需要分离酶就能直接检测完整生物体中的酶活性.因此,开发检测脂质代谢酶的近红外荧光探针对于 Mtb的监测具有十分重要的意义.不同谱系的分枝杆菌裂解液中脂质代谢酶的种类和活性不同,将荧光探针加入含分枝杆菌裂解物的凝胶内进行分析检测时,探针与来自不同谱系的分枝杆菌的脂质代谢酶作用,产生荧光带的强度和位置存在显著差异.根据这些不同的荧光条带,可以快速鉴别分枝杆菌的种类与菌株.2013 年 Beatty 等60将 DDAO 用三氧化硫三甲胺硫酸化,合成了响应硫酸酯酶的近红外荧光探针 Probe 1(Scheme 1).在 PBS 中硫酸酯酶将探针水解为 DDAO,同时探针的吸收光谱由 450 nm 红移至 600 nm,发射光谱由 598 nm 红移至 660 nm 处,溶液颜色由黄色变为蓝色并产生强红色荧光,探针溶液的荧光量子产率由0.028 增加至 0.40.该探针的最低检测限为 244 nmol/L,当探针溶液浓度为 mol/L 级别时,便可以在 515 min内快速检测硫酸酯酶.实验检测了 H37Rv、Erdman 和CDC1551 三种 Mtb、牛分枝杆菌(BCG)和堪萨斯分枝杆菌的裂解液,发现所有裂解液都能在 10 min 内水解Probe 1 并产生强度和位置明显不同的荧光带.图式图式 1 Probe 1 响应示意图 Scheme 1 Probe 1 response diagram 2015 年该课题组61又以 DDAO 和溴甲基乙酸酯为原料合成了 Probe 2 和 Probe 3 两种互为区域异构体的近红外荧光探针(Scheme 2),用以检测脂质代谢酶