巴斯大学Tony James&南洋理工大学浦侃裔Nat. Rev. Chem.:用于传感和治疗的双锁光学探针

【引言】

光学成像能够以高时空分辨率和高灵敏度实时、非侵入性地检测细胞、组织甚至整个生物体中生物分子的定位、运输和活动。为了将信号与生命系统中的分子状态或生物事件相关联，已经开发了许多具有针对生物标志物的靶向或结合能力的“始终在线”探针。然而，由于非特异性相互作用，它们具有较差的信号特异性和低信噪比。相比之下，只有在与感兴趣的生物标志物相互作用后才被激活以发出荧光或化学发光的探针会产生更高的信号背景比和更低的检测限，从而提高体外和体内光学成像的性能。因此，可激活探针的开发有助于更好地了解和诊断癌症、神经退行性疾病、急性器官衰竭和细菌感染等疾病。

【成果简介】

在这篇综述中，巴斯大学Tony James&南洋理工大学浦侃裔总结了开发用于生命系统生物成像的双重探针的进展。文章特别关注用于生成具有定制光学特性的双重探针的不同化学结构，并促进它们对不同生物标志物的特定激活。作者的目的是概述目前可用于使用这种双锁方法检测生物环境中的两种生物标志物或一种生物标志物与另一种刺激（例如光照射）相结合的工具和策略。 除了这个目标，作者首先描述了双锁探针构建中使用的不同设计策略，并重点介绍了用于检测具有生物学意义的生物分子的代表性示例。作者最后讨论了该领域当前和未来的挑战，特别强调了对功能性双锁定探针的未满足需求。该成果以题为“Dual-locked spectroscopic probes for sensing and therapy”发表在Nat. Rev. Chem上。

【图文导读】

图1.包含两个反应位点的双锁探针，可进行两次连续反应

(a) 概念示意图 (b) 代表性探针 DCm-gal-CF 和 Qm-B-CF 的化学结构 (c) 代表性探针 (PeG-Ae-5-DFUr) 的化学结构及其响应 H2O2 和 1O2 的活化形式 (d) APtN活化前后的发光光谱 （e）APtN 在模拟肿瘤微环境的酸性条件（pH = 6.0）和 PBS（pH = 7.4）中在不存在或存在 H2O2 的情况下的 5DFUR 释放曲线 (f) 由生物标志物和光辐射引发的两个独立反应激活的双锁定探针

图2.双锁探针包含一个反应位点，可进行两次连续反应

(a) 概念示意图 (b) 代表性探针 (NmL) 的化学结构及其响应亮氨酸氨肽酶 (LAP) 和单胺氧化酶 (MAO) 的形式 (c-d) 在 LAP 和/或 MAO 存在下 NmL 的归一化吸收光谱和荧光响应 (e-f) 使用两个连续反应操作的双锁定探针的两个例子

图3.双锁探针包含两个反应位点，可实现信号激活和靶向

(a) 概念示意图 (b) 代表性探针 (CaGF) 的化学结构 (c) 探针 CDG-tre 被 β-内酰胺酶 (BlaC) 激活，得到 6-TG-Tre，Ag85 酶将其加工成 6-TG-Tre 单菌酸 (6-TG-Tre-MM)，通过分枝杆菌链转移从 另一分子海藻糖单霉菌酸酯 (TMM) (d) 双靶向荧光探针 (CDG-DNBs) 的结构以及与 BlaC 和 decaprenylphosphoryl-β-d-核糖 2'-差向异构酶 (DprE1) 的反应 (e) 双锁定探针 mCCL2-mAF 的结构

图4.双锁探针包含一个可以进行两个独立反应的荧光团

(a) 概念示意图 (b) 代表性探针 (FhZ) 的化学结构及其分别响应•OH 和 HClO 的活化形式 (c) 在不存在或存在不同当量 HClO 的情况下 FhZ 的荧光响应 (d) FhZ 在不同当量的•OH 存在或不存在下的荧光响应 (e) 基于一个荧光团的双锁定探针

图5.基于用于双工成像的两个发光团的双锁定探针

(a) 概念示意图 (b) 代表性探针 (ADr) 的化学结构及其响应 O2•- 和 NAG 的活化形式 (c-d) 在 PBS 中不存在或存在 KO2 或 NAG 的情况下 ADr 的荧光和化学发光光谱 (e) 双激活探针均基于用于双工成像的两个发光团进行操作 (f) tFP 对添加不同浓度 H2O2（0、0.4、1、2、4、6、8、10、12 和 15 μM）的双光子荧光响应 (g) tFP 对添加不同浓度（0、0.5、1、3、6、9、12、15、18 和 21 mM）ATP 的双光子荧光响应

图6.基于 AND 逻辑的单分子荧光探针

(a) 概念示意图 (b-c) 用于检测 AP 和 ME 的探针 C1 (d) 使用不同荧光团的其他基于 AND 逻辑的探针

图7.使用两个前体探针的基于 AND 逻辑的系统

(a) 概念示意图 (b) 通过释放 6-羟基-2-氰基苯并噻唑和 d-半胱氨酸以及原位形成荧光素同时检测 H2O2 和 caspase 8 活性的设计策略

图8.双锁荧光探针构建中的福斯特共振能量转移

(a) 使用两个荧光团和两个响应位点的基于 Förster 共振能量转移 (FRET) 的系统的设计概念 (b) 基于a中所示的 FRET 类型操作的双锁定探针 (c) 包含一个响应单元的基于 FRET 的双锁定探针的设计概念 (d) Ly-Nt-sP 的分子设计和对 SO2 提出的传感机制

图9.在双锁系统中连续添加两种分析物以诱导两种不同的荧光通道

(a) 概念示意图 (b) 探针 3-hF-Ome 与淀粉样蛋白-β (Aβ) 聚集体的拟议相互作用及其作为新的主客体系统用于过氧亚硝酸盐 (ONOO-) 的比例传感的示意图 (c) 用于 O2•− 和 H2Sn 检测的探针 hCy-FN 的拟议反应机制 (d) 序列激活双通道近红外治疗诊断纳米前药的设计

图10.其他类型的双锁荧光探针

(a) 具有一个反应位点的非荧光双锁探针的示意图，可产生两种不同的荧光信号 (b) 分别在半胱氨酸 (Cys) 和谷胱甘肽 (GSH) 存在下与 NO 的反应机制 (c) 双锁探针 13 对缺氧和 NO 与苯丁酸氮芥释放的工作协议 (d) 带有一个反应位点的荧光双锁探针的示意图，该探针可以产生荧光中间体，然后在光照射下产生一种非荧光产物并释放治疗剂 (e) FB的化学结构和相应的CO光释放机制

【小结】

光学成像探针能够以非侵入性的纵向方式在分子水平上检测和揭示目标分析物的生理和病理功能。光学成像探针具有简单、成本低、灵敏度高、适应自动化分析、空间分辨成像能力强、信号输出模式多样等优点，已广泛应用于生物学、生理学、药理学和医学等领域。为了构建可靠且与实际/临床相关的探针，设计过程通常包含多学科主题，包括化学、生物学和医学。在探针库中，双锁定系统特别有趣，因为它们能够提供增强的特异性和多重检测。此外，化学发光是一种低背景、无激发的光学模式，因此可以集成到双锁定系统中，允许对两种不同的生物标志物进行无串扰的荧光和化学发光检测。对于许多研究人员来说，这些双锁系统仍然是一个“黑匣子”。因此，本综述旨在为此类双锁系统提供“初学者指南”，简单解释它们的工作原理、功能和应用场合，以帮助读者更深入地了解这种研究。

文献链接：Dual-locked spectroscopic probes for sensing and therapy. Nat. Rev. Chem., 2021, DOI:10.1038/s41570-021-00277-2

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。