大连理工大学精细化工国家重点实验室彭孝军院士课题组Acc. Chem. Res.: 基于光感应电子转移的传感和诊疗探针

【引言】

由于荧光探针的高灵敏度，特异性，快速响应和技术简便性，它们已成为检测，成像和疾病诊断的强大工具。在过去的几十年中，研究人员在开发用于设计荧光探针的信号传导机制方面取得了显着进展，例如光致电子转移（PET），分子内电荷转移（ICT）和荧光共振能量转移（FRET）。典型的PET由多组分系统组成，其中荧光团（电子受体）通过一个短的间隔子与一个识别基团（电子供体）分开连接。PET探针通常具有低荧光背景和显着的荧光增强响应目标。最近的研究表明，PET探针也已被用作治疗诊断剂，其荧光和毒性可通过癌症特定参数同时激活。

【成果简介】

近日，大连理工大学精细化工彭孝军院士团队在这篇综述中重点介绍了PET探针合理设计和应用的最新进展，主要侧重于作者团队的研究。例如，与典型PET中传统的单原子电子供体（O，S，N，Se，Te等）不同，作者使用了更多的富电子吡咯环来“猝灭”荧光的荧光。荧光团通过“增强的PET”效应更有效地产生，该效应提供了较低的背景荧光和较高的信噪比。此外，普通PET代表了小分子“off-on”荧光传感器设计背后的主要原理。作者通过分子内空间折叠开发了新的PET平台，从而克服了设计PET酶靶向探针的难题。因此，例如，基于典型的PET和这些新的PET概念，作者报告了用于检测Zn2+而无质子干扰的PET探针，用于报告溶酶体中局部亲水性的基于BODIPY的d-PET探针，以及“增强型PET”荧光探针，用于对癌细胞中的HClO进行成像。此外团队还开发了用于识别癌细胞和定量癌症的COX-2特异性探针，以及用于跟踪活小鼠实体瘤的KIAA1363敏感探针。作者首先将基于PET的氨基肽酶N（APN）敏感探针用于癌症诊断和治疗。预计进一步开发提供对目标分析物更高的灵敏度和选择性的PET荧光探针将具有更多功能，并在病理学，诊断学和癌症治疗的研究中起不可或缺的作用。该成果以题为“Activity-Based Sensing and Theranostic Probes Based on Photoinduced Electron Transfer”发表在Acc. Chem. Res.上。

【图文导读】

Figure 1.PET机理的前沿轨道能量图

Figure 2.Zn²⁺探针的结构和机理示意图

Figure 3.探针分子的结构和机理示意图

（A）N5，N4和NMO的化学结构

（B）N5，N4和NMO的前沿分子轨道能量插图

Figure 4.Hg²⁺探针的结构和机理示意图

Figure 5.探针分子B3的结构与检测性能表征

（A）B3的化学结构

（B）添加Hg²⁺后B3的荧光响应

（C）在Hg²⁺和S^2-或EDTA存在下B3的荧光响应

Figure 6.BTCu的化学结构和传感机理

（A）BTCu对Cu²⁺的化学结构和传感机理

（B）在有或没有Cu²⁺的情况下BTCu孵育后HeLa细胞的荧光图像

Figure 7.探针分子RC1对Ag⁺的响应

（A）RC1对Ag⁺的化学结构和传感机理

（B）在活MCF-7细胞中使用RC-1的Ag⁺水平的荧光图像

Figure 8.巯基检测荧光探针

（A-C）探针分子的结构和检测机理

（D）探针分子的双光子成像

Figure 9.荧光探针对ClO^-的检测

（A）从BClO到HClO的化学结构和传感机理

（B）添加NaClO后，BClO的荧光响应

（C）通过使用BClO监测由伊司莫尔在活的MCF-7细胞中诱导的时间依赖性HClO生成的荧光

Figure 10.NI-OPD的结构、机理与检测

（A）NI-OPD的化学结构和传感机理

（B）添加甲基乙二醛后NI-OPD的荧光响应

（C）正常和糖尿病小鼠组织中MGO的荧光成像。

Figure 11.B1和B2对氢离子的检测

Figure 12.CI3的检测机理和成像

（A）CI3对H⁺的化学结构和传感机理

（B）MCF-7细胞中¹O₂生成的荧光图像

Figure 13.荧光探针的分子结构和检测

（A）BP1-4的化学结构

（B）BP-2对极性的荧光响应

（C）BP-2中d-PET过程的前沿轨道能量表示

（D）荧光图像

Figure 14.探针分子的结构与性能

（A）ANQ-IMC-6对COX-2的化学结构和传感机理

（B）添加凋亡诱导剂（茶多酚）后0小时（a），6小时（b）和24小时（c），用ANQ-IMC-6染色的MCF-7细胞的高尔基体形态变化

（C）（B）的放大图像

（D）BTDAN-COX-2的化学结构

Figure 15.探针分子的结构与成像

（A）Niblue-C6-IMC的化学结构

（B）体内肿瘤光学成像和竞争性阻断研究

Figure 16.NANQ-IMC6的结构与成像

（A）NANQ-IMC6的化学结构

（B）通过静脉内注射NANQ-IMC6对体内肿瘤进行荧光成像

（C）在日光或紫外线照射下，被NANQ-IMC6染色的不同组织的荧光强度

（D）（C）中组织的ELISA分析

Figure 17.探针分子NB-AX的结构与成像

（A）NB-AX的化学结构和检测机理

（B）通过流式细胞术分析NB-AX标记的癌细胞系和非癌细胞系

（C）部分癌组织和部分邻近组织的荧光成像

Figure 18.NB-BF的结构与成像

（A）NB-BF对Pim-1激酶的化学结构和传感机理

（B）正常组织和癌组织的荧光图像

（C）通过皮下注射NB-BF对肿瘤进行体内荧光成像

Figure 19.NBFMeI的结构与成像

（A）NBFMeI对APN的化学结构和传感机理

（B）静脉注射NBFMeI后荷瘤小鼠的体内荧光成像

（C）静脉注射后不同器官中NBFMel的活化

（D）不同治疗后小鼠的（a）肿瘤体积，（b）体重和（c）存活率的变化

【总结】

在这个综述中，作者通过使用具有不同电子给体能力的取代基来调节PET荧光体的HOMO能级，可以克服质子引起的PET抑制问题。作者开发了“增强型PET”探针，其具有极低的背景荧光和高荧光性信噪比。进一步构建了折叠式PET平台，以克服设计PET酶靶向探针的难题。基于这些典型且经过修改的PET概念，作者回顾了用于金属离子（Zn²⁺，Cu²⁺，Hg²⁺和Ag⁺），微环境参数（反应性生物物种，细胞间pH和极性）和癌症特异性酶的传感和生物成像的PET探针。鉴于大多数金属离子和微环境参数的PET探针都被紫外线或短波长可见光激发，因此，作者预计可以使用NIR荧光团设计未来的PET探针，这将适合进一步的体内研究。据报道，只有两个基于增强PET机理的实例可对癌细胞中的HClO和MGO进行成像。因此，将来可以使用增强的PET探针来检测其他种类的分析物。基于PET的荧光前药是用于癌症诊断和治疗的 理想平台。这应该引起研究人员对相关研究领域的兴趣。另外，对PET工艺的精确调控是PET前药的另一个未来发展，它将改善癌症的治疗效果并减少副作用。

该综述第一作者为大连理工大学孙文副教授，共同通讯作者为樊江莉教授，彭孝军院士。

课题组主页：http://peng-group.dlut.edu.cn/

文献链接：Activity-Based Sensing and Theranostic Probes Based on Photoinduced Electron Transfer. Acc. Chem. Res., 2019, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00340.

本文由tt供稿，材料牛整理编辑。 

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。 

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，我们会邀请各位老师加入专家群。