梳理：过去一年荧光生物探针领域重大研究突破

钢铁侠 7年前 (2018-01-29) 12996浏览

生物体内的一些化学物质、酶、生物大分子等对生物体的生命活动均有重要的影响，因此，基于这些物质的检测与成像对于科研工作者探索生命科学的未知世界有着重要的指导意义。目前，针对生物体内的化学与生物物质的检测与成像，科研工作者已经开发出了一系列的方法，比如高效液相色谱、电子自旋共振、核磁共振成像等。虽然这些方法也能获得一些结果，但是由于依赖于昂贵的仪器以及耗时太长，他们的应用受到了一定的限制。对比于前面所提到的这些检测与成像的方法，基于荧光的生物探针因为灵敏度高、速度快、无破坏性等优点受到了广泛的关注。在2017年，荧光生物探针在检测、诊疗和成像等领域都有着精彩的表现。下面就由我带领大家回顾与总结荧光生物探针2017年研究进展。

1. 基于荧光共振能量转移

荧光共振能量转移是指在两个不同的荧光基团中，如果一个荧光基团（供体）的发射光谱与另外一个基团（受体）的吸收光谱有一定的重叠，当这两个荧光基团间的距离小于100埃时，就可观察到荧光能量由供体向受体转移的现象。简单来说，在荧光共振能量转移发生时，以供体的激发波长激发时，可观察到受体发射的荧光。

柏林洪堡大学的Christoph Arenz教授在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Amplification of a FRET Probe by Lipid-Water Partition for the Detection of Acid Sphingomyelinase in Live Cells”的文章。在本文的工作中，作者设计、合成了一种基于荧光共振能量转移的探针。该探针由一对可以发生荧光共振能量转移的荧光团组成，供体7-methoxy-coumarin-3-carboxylate (MCC)和受体nitrobenzoxadiazole (NBD)，在结构上属于鞘磷脂衍生物，因而可以被酸性鞘磷脂酶特异性识别。当荧光基团MCC和NBD相距很近时，荧光共振能量转移效率高，发光在550nm；当酶切反应发生时，荧光团之间的距离变大，共振能量转移效率大大降低，550nm处的荧光强度降低的同时，400nm处的荧光强度增加，从而实现了酸性鞘磷脂酶的特异性检测。

基于荧光共振能量转移的酸性鞘磷脂酶活性检测

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201611706/epdf

2. 光致电子转移

光致电子转移体系一般是通过间隔基团将电子给体和电子受体相连构成。在激发光照射下，电子给体的电子从基态激发到激发态。由于电子给受体间的电子转移作用，给体激发态的电子转移到电子受体，而无法回到基态，从而导致荧光淬灭。

来自华南理工大学的吴水珠教授团队于2017年7月在Biomaterials上发表了题为“A self-immolative prodrug nanosystem capable of releasing a drug and a NIR reporter for in vivo imaging and therapy”。这个工作设计合成了一种“诊疗合一”的生物探针，将抗癌药物喜树碱、近红外荧光染料和对谷胱甘肽特异性响应的二硝基苯磺酰基团，通过一个具有self-immolative特性的间隔基团连接起来。二硝基苯磺酰基由于强吸电子作用，和荧光团之间发生光致电子转移，近红外荧光染料的荧光因此发生淬灭。当二硝基苯磺酰基团与谷胱甘肽发生作用被切除，β-消除的反应发生，喜树碱和荧光团同时释放出来，光致电子转移作用消失，荧光强度逐渐增强。因而可以实现基于癌症细胞中基于谷胱甘肽响应的癌症诊断和治疗。这个探针在细胞和小鼠上均取得了很好的效果。

基于光致电子转移的生物诊疗探针

文献链接：https://ac.els-cdn.com/S0142961217303952/1-s2.0-S0142961217303952-main.pdf?_tid=97736f76-0372-11e8-986d-00000aab0f6b&acdnat=1517065314_7bf160badddb0a6361be395fbe1d0027

3. 分子内电荷转移

发生分子内电荷转移的体系一般是推电子基团和吸电子基团通过π电子共轭体系连接而成，在基态时，表现为极化结构；而在光激发下，偶极矩增大，强化了这种特性。当分子内电荷转移作用增强，分子的发光红移；当分子内电荷转移作用减弱，分子的发光蓝移。

唐本忠院士课题组于2017年1月在Chem. Commun.上发表了题为“A two-channel responsive fluorescent probe with AIE characteristics and its application for selective imaging of superoxide anions in living cells”的文章。活性氧作为生物体内的一种重要物质，与细胞凋亡、癌症、炎症等疾病都有重大的联系。在这个工作中，作者设计合成了基于分子内电荷转移的生物荧光探针，实现了针对超氧阴离子的双通道检测与成像。探针的结构为推电子的甲氧基和拉电子吡啶盐通过四苯基乙烯共轭相连。由于吡啶盐的拉电子作用较强，探针的分子内电荷转移作用较强，使得分子的发光在600nm左右；当探针与超氧阴离子作用后，吡啶盐部分变成吡啶，分子内电荷转移作用变弱，探针的发光蓝移到520nm，从而实现了对超氧阴离子的双通道检测与成像。探针分子在细胞炎症和凋亡模型中均有很好的效果。

基于分子内电荷转移的双通道荧光探针

文献链接：http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2017/cc/c6cc09307h

4. 分子余辉成像

传统荧光成像由于激发光在生物体内会产生干扰性很强的自荧光，从而大大降低成像的灵敏度和信噪比。余辉发光是指光激发后，材料会有持续发光的过程。其机理为经过热激活的材料，光子会从能阱中缓慢释放。和寿命在ns级别的背景荧光相比，余辉发光可以持续更久，在背景荧光消失后再收集余辉发光，可以有效地消除背景荧光的干扰，提高成像质量。

来自新加坡南洋理工大学的浦侃裔教授课题组在Nature Biotechnology上发表了题为“Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles”的文章。在这个工作中，作者设计合成了一种半衰期长达6分钟、近红外发光的共轭高分子。与传统无机余辉发光探针相比，这种共轭高分子材料具有更强的亮度（100倍以上）和更深的组织穿透深度，同时具有更低的毒性；与传统的近红外材料相比，这种共轭高分子材料在小鼠活体淋巴结和肿瘤成像中，具有更高的信号强度（127倍）。

余辉发光的荧光探针在成像上的应用

文献链接：www.nature.com/articles/nbt.3987.pdf

5. 化学发光

化学发光是指物质在进行化学反应过程中伴随的一种光辐射现象。A与B两种物质在发生化学反应释放能量，释放的能量被物质C吸收。物质C吸收能量后，从基态跃迁至激发态C*，又回到基态的过程中，产生光辐射。

来自以色列特拉维夫大学的Doron Shabat课题组于2017年7月在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Self-immolative chemiluminescence polymers: innate assimilation of chemiexcitation in a domino-like depolymerization”的文章。在这个工作中，作者设计合成了一种具有self-immolative性质的聚合物。这种聚合物在一定的外界刺激下，会发生多米诺似的链式连锁反应，在醌-甲基消除反应发生的同时，发生化学发光，实现对外界刺激环境的特异性响应。因此通过改变此聚合物的开关结构，可以实现特异性地检测多种物质。这个工作为信号放大、光照明材料、分子探针和成像等相关领域的研究提供了新的思路，具有一定的启发意义。

Self-immolative聚合物的结构及其化学发光机理

文献链接：http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.7b04804

6. 多光子成像

荧光成像的高速发展要求材料具有更好的组织穿透能力、对生物体的伤害更低，更高的信噪比和出众的时空分辨率。然而，常规的单光子荧光材料并不能满足这些需求。单光子荧光材料的激发光波长通常在350-500纳米。这种波长的激发光波长较短且能量较高，因而其组织穿透深度通常小于100微米，且会对生物体造成一定的伤害。不仅如此，这个波长的激发光可以激发生物体的自荧光，对成像信号造成干扰，降低信噪比。多光子成像是指材料同时吸收多个光子，从基态跃迁到激发态的非线性光学过程。与单光子成像相比，双/三光子成像在组织穿透能力、生物体保护、信噪比和时空分辨率上均有很好的表现。因此，双/三光子成像在成像领域受到了广泛的关注。

来自浙江大学的钱骏教授课题组于2017年10月在ACS Nano上发表了题为“Aggregation-Induced Emission Luminogen with Deep-Red Emission for Through-Skull Three-Photon Fluorescence Imaging of Mouse”的文章。颅内成像在神经科学和临床医学领域都有很重要的意义，传统的X射线计算机断层成像和磁共振成像存在空间分辨率较低的缺陷。这个工作利用红光AIE材料，避免了双光子成像所需要的开颅手术和脑颅床技术，实现了全颅成像。头盖骨穿透深度达到了300微米，2.4微米的小血管也依然也被观察到。

颅内三光子成像

文献链接：http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.7b05645

7. 聚集诱导发光

聚集诱导发光是指一类具有螺旋状结构的分子在分散的溶液态不发光，而在分子聚集的状态下荧光显著增强的现象。当这些分子以单分子形式存在于溶液中时，激发态的电子以分子内运动（旋转和振动）的能量弛豫回到基态，此时分子不发光；而在分子处于聚集态时，分子的旋转和振动受到限制，激发态的电子只能通过辐射跃迁的方式回到基态，因而观察到荧光增强的现象。因此一部分基于聚集诱导发光的探针是通过探针溶解性改变实现的。和传统荧光探针相比，聚集诱导发光探针具有成像背景低，信噪比高的特点。

来自新加坡国立大学的刘斌教授课题组于2017年1月在Chem. Sci.上发表了题为“Light-up probe based on AIEgens: dual signal turnon for caspase cascade activation monitoring”的文章。在这个工作中，作者设计合成了一种可以同时检测caspase-3和caspase-8的荧光探针。该探针由一段可被caspase-3和caspase-8识别的水溶性多肽，将分别发蓝色荧光和红色荧光的AIE荧光团连接起来。探针分子由于很好的水溶性，在溶液中不发光。caspase-8可以将多肽切断，释放出不水溶的蓝光荧光团；而caspase-3可以将多肽切断，释放出不水溶的红光荧光团，因此实现针对两种酶活性的荧光检测。探针在溶液态检测和细胞内成像均取得了很好的效果。

基于聚集诱导发光的探针在caspase-3和caspase-8检测中的应用

文献链接：http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2017/sc/c6sc04322d

8. 激发态分子内质子转移

激发态分子内质子转移是指分子受光激发到激发态后，发生激发态分子内部相近的质子给体与质子受体间的质子转移现象。通常为质子从给体沿着分子氢键到达相邻的N、O、S等杂原子上的异构化过程。激发态分子内质子转移作为光化学和光物理中的重要反应受到了广泛的关注和研究。目前，基于激发态分子内质子转移而设计的荧光探针已有很多。

来自上海华东理工大学的钱旭红院士课题组于2017年1月在Dyes and Pigments上发表了题为“A novel ‘‘donor-two-acceptor’’ type fluorophore-based probe for fast detection and intracellular imaging of nitroreductase”的文章。在这个工作中，作者设计合成了一种基于激发态分子内质子转移机理、可检测硝基还原酶活性的荧光探针。当硝基被硝基还原酶还原成氨基后，羟基脱保护，并与苯并噻唑上的氮原子之间形成氢键。此时，激发态分子内质子转移过程发生，在红光波段的荧光强度增加，实现针对硝基还原酶的检测。这个探针可用来检测细胞内缺氧环境。

基于激发态分子内质子转移的硝基还原酶活性检测

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143720816304119

9. 生物正交化学

生物正交化学指的是在生命系统内能够发生的，并且不影响生物体本身化学过程的化学反应。一个典型的生物正交化学实验主要分为两步。第一步生物标记是，一个简单的化学基团（比如磷酸基团、叠氮基团等），利用生物体系统（细胞或完整的生物体）自身的生物合成方式整合到目标生物分子上的过程；第二步化学标记为，利用能与第一步中的小分子特异性结合的化学发光基团在一定的条件下与小分子结合或反应，从而可以报告体内被标记的大分子的实时状态。

来自纽约州立大学的qing lin教授于2017年9月在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Spirohexene-Tetrazine Ligation Enables Bioorthogonal Labeling of Class B G Protein-Coupled Receptors in Live Cells”的文章。在这个工作中，作者利用基因编码扩展技术，将赖氨酸的spirohexene衍生物插入到了B型G蛋白偶联受体（GPCR）中去。再利用spirohexene与tetrazine之间的Diels-Alder反应，实现对GPCR的荧光成像，在溶液态和细胞内均达到了很好的效果。除此之外，这个工作对后续GPCR的研究提供了一个很好的工具。