檢測硫化氫近紅外熒光探針研究進(jìn)展

摘" " " 要： 用于監(jiān)測活細(xì)胞和生物體中H2S水平的熒光探針是非?？扇〉?。在這方面，近紅外（NIR）熒光探針已成為一種有前途的工具。NIR-I和NIR-II探針有許多顯著的優(yōu)點(diǎn);例如，近紅外光比可見光穿透組織更深，在生物樣品分析過程中造成的光損傷更小，自身熒光更少，從而實(shí)現(xiàn)更高的信本比。因此，在近紅外區(qū)域發(fā)射的熒光探針有望更適合于活體成像。因此，在文獻(xiàn)中出現(xiàn)了大量新的H2S響應(yīng)近紅外熒光探針的報(bào)道。綜述了近年來用于生物樣品中H2S的近紅外熒光探針的研究進(jìn)展。重點(diǎn)介紹了它們在實(shí)時(shí)監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)H2S和活體細(xì)胞/動物生物成像中的應(yīng)用。

關(guān)" 鍵" 詞：熒光；硫化氫；近紅外探針；生物成像

中圖分類號：O657" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0743-04

硫化氫（H2S）被許多人認(rèn)為是一種有毒氣體[1]。然而，在科學(xué)界，它被認(rèn)為是一種調(diào)節(jié)許多生理過程的氣體信號分子[2]。近紅外熒光探針被定義為在近紅外區(qū)域（650～1700 nm）顯示熒光發(fā)射的分子和材料。近紅外探針在生物成像活細(xì)胞、組織和動物中發(fā)揮了巨大的作用，以監(jiān)測許多生物過程和分析物中的H2S水平[3]。近紅外熒光探針與其他傳統(tǒng)探針（300～650 nm）相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。近紅外熒光探針可以穿透更深的組織，從而可以從更深的結(jié)構(gòu)中獲取信息。較低的自身熒光使得更高的信本比。近紅外探針對細(xì)胞無損傷或損傷極小，靈敏度提高，斯托克斯位移大，生物相容性好，細(xì)胞毒性低，光穩(wěn)定性好。這些優(yōu)點(diǎn)使近紅外探頭更適合于生物成像和傳感器研究[4]。

雖然有幾種商業(yè)的和易于制備的近紅外染料，但只有少數(shù)化合物用于H2S傳感器和生物成像[5]。由于一些局限性，如量子產(chǎn)率低、親水性差、光不穩(wěn)定性、溶解性差、生物條件下檢測靈敏度低，使得大多數(shù)近紅外染料不適合設(shè)計(jì)響應(yīng)近紅外的H2S探針。近紅外染料，包括半菁染料[6]、羅丹明染料[7]，以及BODIPY染料，主要用于設(shè)計(jì)硫化氫敏感的近紅外探針。本綜述簡要概述了這些染料的結(jié)構(gòu)特征和生物成像應(yīng)用。

1" BODIPY類的近紅外熒光探針

氟硼吡咯（BODIPY）衍生物可作為熒光化學(xué)傳感器的近紅外熒光團(tuán)。BODIPY系列染料具有許多突出的光譜和光物理特性，如強(qiáng)吸收、高可見輻射量子產(chǎn)率、窄吸收和發(fā)射波段、高摩爾吸收系數(shù)、熒光效率、高溶解度、抗光和化學(xué)物質(zhì)的高穩(wěn)定性、低自熒光、極低光毒性和對生物成像應(yīng)用的生物系統(tǒng)無毒[8]。

了解氣體遞質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用具有重要意義，但在技術(shù)上仍具有挑戰(zhàn)性。在本研究中，2021年 Zhao[9]等設(shè)計(jì)和合成了一種雙響熒光探針1，用于探測活細(xì)胞中NO和H2S的動態(tài)和交替存在，探針結(jié)構(gòu)如圖1所示。該探針在NO和H2S連續(xù)處理的情況下，可以反復(fù)循環(huán)s -亞硝化和轉(zhuǎn)亞硝化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)645 nm的近紅外熒光（NO）和936 nm的近紅外II熒光（H2S）的互換。根據(jù)這種兩種顏色之間的獨(dú)特?zé)晒饨惶?，合成了水溶性BOD-NH-SC點(diǎn)，以可視化NO和H2S在細(xì)胞內(nèi)的動態(tài)。這些分子探針為闡明NO和H2S在各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的復(fù)雜相互作用網(wǎng)絡(luò)中的相互作用提供了一個(gè)工具箱[10]。

分子探針光學(xué)成像正成為推進(jìn)生物學(xué)研究和臨床應(yīng)用的重要工具。然而，目前大多數(shù)可用的分子探針的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確性都有限，因?yàn)樗鼈儗谏飿?biāo)志物的成像的單一刺激具有典型的響應(yīng)性。在本研究中，2022年Zhao[11]開發(fā)了一種新型分子探針2，顯示堿性磷酸酶（ALP）指示對硫化氫的敏感反應(yīng)，用于精確的癌癥成像和鑒別，探針結(jié)構(gòu)如圖1所示。所設(shè)計(jì)的探針在生理?xiàng)l件下處于聚合狀態(tài)，表面帶負(fù)電荷，對H2S的光學(xué)響應(yīng)較差。ALP介導(dǎo)的去磷酸化反應(yīng)生成帶有正電荷表面的組裝產(chǎn)物，在755 nm的亮近紅外熒光下對H2S具有顯著的聚集增強(qiáng)響應(yīng)性。這種由負(fù)向正的電荷反轉(zhuǎn)組合探針在基于ALP上調(diào)和H2S含量的差異實(shí)現(xiàn)癌癥的精確可視化和區(qū)分方面起著至關(guān)重要的作用?？梢栽O(shè)想多參數(shù)激活分子探針電荷反轉(zhuǎn)策略將有助于提高癌癥成像的特異性和準(zhǔn)確性。

2" 基于半菁類的熒光探針

具有可調(diào)性的近紅外（NIR， 650～900 nm）熒光半菁染料在檢測、生物成像和醫(yī)療應(yīng)用等方面具有重要意義。這類染料具有近紅外吸收和發(fā)射、光譜性質(zhì)可調(diào)、光穩(wěn)定性高、Stokes位移大等優(yōu)點(diǎn)，并且這些特性也優(yōu)于傳統(tǒng)的熒光團(tuán)。近年來，研究人員在開發(fā)基于半菁染料骨架的活性基多功能熒光探針方面取得了顯著進(jìn)展。

急性肺損傷（Acute lung injury， ALI）是一種發(fā)病率和死亡率都很高的嚴(yán)重肺部炎癥性疾病，其發(fā)病機(jī)制和治療方法仍在探索中。硫化氫（H2S）是氣體信號分子的成員，也是多種疾病的生物標(biāo)志物，已知與ALI密切相關(guān)。但H2S水平在這一病理過程中的動態(tài)變化尚不清楚。2022年Lin[12]通過簡單的程序構(gòu)建了一種基于硫取代半氰胺染料的新型熒光探針3，探針結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)的半氰胺探針相比，該探針表現(xiàn)出增強(qiáng)的近紅外發(fā)射，并對H2S具有快速和顯著的“啟動”熒光響應(yīng)[13]。利用探針3實(shí)現(xiàn)了正常/癌細(xì)胞在不同刺激條件下內(nèi)源性H2S的熒光成像。此外，探針3首次成功應(yīng)用于ALI小鼠體內(nèi)/器官近紅外熒光成像中H2S水平的可視化。該探針有望成為探討H2S在肺部疾病和其他病理活動中的生理作用的分子工具。

硫化氫（H2S）作為一種參與自噬的信號分子，被認(rèn)為在疾病的發(fā)展和治療中起著至關(guān)重要的作用。為了闡明H2S在機(jī)體中的復(fù)雜作用及其在疾病過程中的參與，迫切需要對H2S的動態(tài)進(jìn)行可視化研究。在此基礎(chǔ)上，2022年Zhang[14]等構(gòu)建了一種用于H2S檢測的水溶性近紅外（695 nm發(fā)射）自燒熒光探針4，探針結(jié)構(gòu)如圖2所示實(shí)驗(yàn)證明，自焚策略檢測H2S的能力可以提高探針的代謝能力和降低毒性。該探針不僅可以檢測活細(xì)胞和小鼠體內(nèi)的H2S，而且在檢測炎癥和心肌損傷過程中H2S的變化以監(jiān)測細(xì)胞自我修復(fù)方面具有很大的潛力[15]。

3" 基于羅丹明類的熒光探針

熒光生物成像技術(shù)已經(jīng)成為一種簡便而有力的工具，可以可視化生物分子在生物系統(tǒng)中的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)運(yùn)和生物學(xué)作用。羅丹明染料是目前最具光穩(wěn)定性的熒光標(biāo)記試劑；pH 值在4～10之間變化時(shí)，它們的光譜大多不受影響。自從 1887 年 Maurice Ceresole [16]首次發(fā)現(xiàn)羅丹明以來，它們作為熒光標(biāo)記或小分子探針在生物技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。熒光團(tuán)還被用于醫(yī)學(xué)成像活細(xì)胞和動物的臨床前研究[17]。

2022年，Zhu課題組[18]通過引入鄰位鹵素激活識別基團(tuán)2，4-二硝基苯的活性最低的部分，研制了一種用于檢測H2S的新型熒光探針5，探針結(jié)構(gòu)如圖3所示。結(jié)合羅丹明B和熒光素的結(jié)構(gòu)，探針可以產(chǎn)生比色反應(yīng)和熒光反應(yīng)。與最近的H2S探針相比，探針的主要優(yōu)點(diǎn)包括適合較寬的pH范圍（6.0～10.0），相對快速的響應(yīng)（在15 min內(nèi)）和對包括生物硫醇在內(nèi)的競爭物種的高選擇性。探針細(xì)胞毒性低，進(jìn)一步應(yīng)用于活細(xì)胞和秀麗隱桿線蟲的生物成像。

精神分裂癥（SZ）是一種常見的嚴(yán)重精神疾病，病因不明。近年來，大腦中硫化氫的過量產(chǎn)生被認(rèn)為是精神分裂癥的病理生理基礎(chǔ)之一。然而，由于血腦屏障（BBB）的存在，幾乎沒有熒光探針成功地用于大腦中H2S的傳感和檢測。2022年Wang[19]等設(shè)計(jì)并合成了基于半氰胺和羅丹明結(jié)構(gòu)的近紅外熒光探針6，探針結(jié)構(gòu)如圖3所示。探針6對血腦屏障具有良好的穿透能力，具有較高的腦吸收能力，對H2S具有良好的體內(nèi)外反應(yīng)。首次用熒光探針對精神分裂癥（SZ）小鼠模型大腦中H2S的變化進(jìn)行成像，并成功證明了精神分裂癥小鼠大腦中存在異常高水平的H2S[20]。

4" 結(jié)束語

H2S因其在與各種疾?。ㄈ绨┌Y和神經(jīng)源性疾?。┫嚓P(guān)的生理和病理中不斷出現(xiàn)的動態(tài)作用而特別受關(guān)注。受這些診斷意義不足的挑戰(zhàn)啟發(fā)，H2S探針得到了快速發(fā)展。H2S具有可還原性、親核性和金屬配位性等化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了多種傳感系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方法相比，H2S探針具有優(yōu)良的成像性能，實(shí)現(xiàn)了對H2S在體內(nèi)分布和生物過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。從單通道熒光成像到比值熒光成像，從短波成像到長波長成像，隨著成像技術(shù)的發(fā)展，H2S檢測系統(tǒng)向精確、深入組織的監(jiān)測生物H2S的前景邁進(jìn)。

展望本文的研究成果，對進(jìn)一步的探針設(shè)計(jì)和病理模擬具有重要的指導(dǎo)意義。總的來說， 開發(fā)完美的探針仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要掌握基本概念和解決的生物學(xué)問題的策略。

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Abstract：" A fluorescent probe for monitoring H2S levels in living cells and organisms is highly desirable. In this regard， near-infrared （NIR） fluorescent probes have become a promising tool. NIR-I and NIR-II probes have many significant advantages， for example， near-infrared light penetrates tissues more deeply than visible light， causing less light damage and less self-fluorescence during the analysis of biological samples， resulting in a higher letter-to-letter ratio. Therefore， fluorescent probes emitted in the near-infrared region are expected to be more suitable for in vivo imaging. As a result， there have been a large number of reports of new H2S-responsive near-infrared fluorescent probes in the literature. In this paper，recent research advances in near-infrared fluorescent probes for H2S in biological samples were reviewed. Their application in real-time monitoring of intracellular H2S and live cell/animal biological imaging was discussed.

Key words： Fluorescent; Hydrogen sulfide; Near infrared probe; Biological imaging