梳理：過去一年熒光生物探針領域重大研究突破

鋼鐵俠 6年前 (2018-01-29) 11856瀏覽

生物體內的一些化學物質、酶、生物大分子等對生物體的生命活動均有重要的影響，因此，基于這些物質的檢測與成像對于科研工作者探索生命科學的未知世界有著重要的指導意義。目前，針對生物體內的化學與生物物質的檢測與成像，科研工作者已經開發出了一系列的方法，比如高效液相色譜、電子自旋共振、核磁共振成像等。雖然這些方法也能獲得一些結果，但是由于依賴于昂貴的儀器以及耗時太長，他們的應用受到了一定的限制。對比于前面所提到的這些檢測與成像的方法，基于熒光的生物探針因為靈敏度高、速度快、無破壞性等優點受到了廣泛的關注。在2017年，熒光生物探針在檢測、診療和成像等領域都有著精彩的表現。下面就由我帶領大家回顧與總結熒光生物探針2017年研究進展。

1. 基于熒光共振能量轉移

熒光共振能量轉移是指在兩個不同的熒光基團中，如果一個熒光基團（供體）的發射光譜與另外一個基團（受體）的吸收光譜有一定的重疊，當這兩個熒光基團間的距離小于100埃時，就可觀察到熒光能量由供體向受體轉移的現象。簡單來說，在熒光共振能量轉移發生時，以供體的激發波長激發時，可觀察到受體發射的熒光。

柏林洪堡大學的Christoph Arenz教授在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“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，作者設計、合成了一種基于熒光共振能量轉移的探針。該探針由一對可以發生熒光共振能量轉移的熒光團組成，供體7-methoxy-coumarin-3-carboxylate (MCC)和受體nitrobenzoxadiazole (NBD)，在結構上屬于鞘磷脂衍生物，因而可以被酸性鞘磷脂酶特異性識別。當熒光基團MCC和NBD相距很近時，熒光共振能量轉移效率高，發光在550nm；當酶切反應發生時，熒光團之間的距離變大，共振能量轉移效率大大降低，550nm處的熒光強度降低的同時，400nm處的熒光強度增加，從而實現了酸性鞘磷脂酶的特異性檢測。

基于熒光共振能量轉移的酸性鞘磷脂酶活性檢測

文獻鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201611706/epdf

2. 光致電子轉移

光致電子轉移體系一般是通過間隔基團將電子給體和電子受體相連構成。在激發光照射下，電子給體的電子從基態激發到激發態。由于電子給受體間的電子轉移作用，給體激發態的電子轉移到電子受體，而無法回到基態，從而導致熒光淬滅。

來自華南理工大學的吳水珠教授團隊于2017年7月在Biomaterials上發表了題為“A self-immolative prodrug nanosystem capable of releasing a drug and a NIR reporter for in vivo imaging and therapy”。這個工作設計合成了一種“診療合一”的生物探針，將抗癌藥物喜樹堿、近紅外熒光染料和對谷胱甘肽特異性響應的二硝基苯磺酰基團，通過一個具有self-immolative特性的間隔基團連接起來。二硝基苯磺酰基由于強吸電子作用，和熒光團之間發生光致電子轉移，近紅外熒光染料的熒光因此發生淬滅。當二硝基苯磺酰基團與谷胱甘肽發生作用被切除，β-消除的反應發生，喜樹堿和熒光團同時釋放出來，光致電子轉移作用消失，熒光強度逐漸增強。因而可以實現基于癌癥細胞中基于谷胱甘肽響應的癌癥診斷和治療。這個探針在細胞和小鼠上均取得了很好的效果。

基于光致電子轉移的生物診療探針

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

3. 分子內電荷轉移

發生分子內電荷轉移的體系一般是推電子基團和吸電子基團通過π電子共軛體系連接而成，在基態時，表現為極化結構；而在光激發下，偶極矩增大，強化了這種特性。當分子內電荷轉移作用增強，分子的發光紅移；當分子內電荷轉移作用減弱，分子的發光藍移。

唐本忠院士課題組于2017年1月在Chem. Commun.上發表了題為“A two-channel responsive fluorescent probe with AIE characteristics and its application for selective imaging of superoxide anions in living cells”的文章。活性氧作為生物體內的一種重要物質，與細胞凋亡、癌癥、炎癥等疾病都有重大的聯系。在這個工作中，作者設計合成了基于分子內電荷轉移的生物熒光探針，實現了針對超氧陰離子的雙通道檢測與成像。探針的結構為推電子的甲氧基和拉電子吡啶鹽通過四苯基乙烯共軛相連。由于吡啶鹽的拉電子作用較強，探針的分子內電荷轉移作用較強，使得分子的發光在600nm左右；當探針與超氧陰離子作用后，吡啶鹽部分變成吡啶，分子內電荷轉移作用變弱，探針的發光藍移到520nm，從而實現了對超氧陰離子的雙通道檢測與成像。探針分子在細胞炎癥和凋亡模型中均有很好的效果。

基于分子內電荷轉移的雙通道熒光探針

文獻鏈接：http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2017/cc/c6cc09307h

4. 分子余輝成像

傳統熒光成像由于激發光在生物體內會產生干擾性很強的自熒光，從而大大降低成像的靈敏度和信噪比。余輝發光是指光激發后，材料會有持續發光的過程。其機理為經過熱激活的材料，光子會從能阱中緩慢釋放。和壽命在ns級別的背景熒光相比，余輝發光可以持續更久，在背景熒光消失后再收集余輝發光，可以有效地消除背景熒光的干擾，提高成像質量。

來自新加坡南洋理工大學的浦侃裔教授課題組在Nature Biotechnology上發表了題為“Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles”的文章。在這個工作中，作者設計合成了一種半衰期長達6分鐘、近紅外發光的共軛高分子。與傳統無機余輝發光探針相比，這種共軛高分子材料具有更強的亮度（100倍以上）和更深的組織穿透深度，同時具有更低的毒性；與傳統的近紅外材料相比，這種共軛高分子材料在小鼠活體淋巴結和腫瘤成像中，具有更高的信號強度（127倍）。

余輝發光的熒光探針在成像上的應用

文獻鏈接：www.nature.com/articles/nbt.3987.pdf

5. 化學發光

化學發光是指物質在進行化學反應過程中伴隨的一種光輻射現象。A與B兩種物質在發生化學反應釋放能量，釋放的能量被物質C吸收。物質C吸收能量后，從基態躍遷至激發態C*，又回到基態的過程中，產生光輻射。

來自以色列特拉維夫大學的Doron Shabat課題組于2017年7月在J. Am. Chem. Soc.上發表了題為“Self-immolative chemiluminescence polymers: innate assimilation of chemiexcitation in a domino-like depolymerization”的文章。在這個工作中，作者設計合成了一種具有self-immolative性質的聚合物。這種聚合物在一定的外界刺激下，會發生多米諾似的鏈式連鎖反應，在醌-甲基消除反應發生的同時，發生化學發光，實現對外界刺激環境的特異性響應。因此通過改變此聚合物的開關結構，可以實現特異性地檢測多種物質。這個工作為信號放大、光照明材料、分子探針和成像等相關領域的研究提供了新的思路，具有一定的啟發意義。

Self-immolative聚合物的結構及其化學發光機理

文獻鏈接：http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.7b04804

6. 多光子成像

熒光成像的高速發展要求材料具有更好的組織穿透能力、對生物體的傷害更低，更高的信噪比和出眾的時空分辨率。然而，常規的單光子熒光材料并不能滿足這些需求。單光子熒光材料的激發光波長通常在350-500納米。這種波長的激發光波長較短且能量較高，因而其組織穿透深度通常小于100微米，且會對生物體造成一定的傷害。不僅如此，這個波長的激發光可以激發生物體的自熒光，對成像信號造成干擾，降低信噪比。多光子成像是指材料同時吸收多個光子，從基態躍遷到激發態的非線性光學過程。與單光子成像相比，雙/三光子成像在組織穿透能力、生物體保護、信噪比和時空分辨率上均有很好的表現。因此，雙/三光子成像在成像領域受到了廣泛的關注。

來自浙江大學的錢駿教授課題組于2017年10月在ACS Nano上發表了題為“Aggregation-Induced Emission Luminogen with Deep-Red Emission for Through-Skull Three-Photon Fluorescence Imaging of Mouse”的文章。顱內成像在神經科學和臨床醫學領域都有很重要的意義，傳統的X射線計算機斷層成像和磁共振成像存在空間分辨率較低的缺陷。這個工作利用紅光AIE材料，避免了雙光子成像所需要的開顱手術和腦顱床技術，實現了全顱成像。頭蓋骨穿透深度達到了300微米，2.4微米的小血管也依然也被觀察到。

顱內三光子成像

文獻鏈接：http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.7b05645

7. 聚集誘導發光

聚集誘導發光是指一類具有螺旋狀結構的分子在分散的溶液態不發光，而在分子聚集的狀態下熒光顯著增強的現象。當這些分子以單分子形式存在于溶液中時，激發態的電子以分子內運動（旋轉和振動）的能量弛豫回到基態，此時分子不發光；而在分子處于聚集態時，分子的旋轉和振動受到限制，激發態的電子只能通過輻射躍遷的方式回到基態，因而觀察到熒光增強的現象。因此一部分基于聚集誘導發光的探針是通過探針溶解性改變實現的。和傳統熒光探針相比，聚集誘導發光探針具有成像背景低，信噪比高的特點。

來自新加坡國立大學的劉斌教授課題組于2017年1月在Chem. Sci.上發表了題為“Light-up probe based on AIEgens: dual signal turnon for caspase cascade activation monitoring”的文章。在這個工作中，作者設計合成了一種可以同時檢測caspase-3和caspase-8的熒光探針。該探針由一段可被caspase-3和caspase-8識別的水溶性多肽，將分別發藍色熒光和紅色熒光的AIE熒光團連接起來。探針分子由于很好的水溶性，在溶液中不發光。caspase-8可以將多肽切斷，釋放出不水溶的藍光熒光團；而caspase-3可以將多肽切斷，釋放出不水溶的紅光熒光團，因此實現針對兩種酶活性的熒光檢測。探針在溶液態檢測和細胞內成像均取得了很好的效果。

基于聚集誘導發光的探針在caspase-3和caspase-8檢測中的應用

文獻鏈接：http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2017/sc/c6sc04322d

8. 激發態分子內質子轉移

激發態分子內質子轉移是指分子受光激發到激發態后，發生激發態分子內部相近的質子給體與質子受體間的質子轉移現象。通常為質子從給體沿著分子氫鍵到達相鄰的N、O、S等雜原子上的異構化過程。激發態分子內質子轉移作為光化學和光物理中的重要反應受到了廣泛的關注和研究。目前，基于激發態分子內質子轉移而設計的熒光探針已有很多。

來自上海華東理工大學的錢旭紅院士課題組于2017年1月在Dyes and Pigments上發表了題為“A novel ‘‘donor-two-acceptor’’ type fluorophore-based probe for fast detection and intracellular imaging of nitroreductase”的文章。在這個工作中，作者設計合成了一種基于激發態分子內質子轉移機理、可檢測硝基還原酶活性的熒光探針。當硝基被硝基還原酶還原成氨基后，羥基脫保護，并與苯并噻唑上的氮原子之間形成氫鍵。此時，激發態分子內質子轉移過程發生，在紅光波段的熒光強度增加，實現針對硝基還原酶的檢測。這個探針可用來檢測細胞內缺氧環境。

基于激發態分子內質子轉移的硝基還原酶活性檢測

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143720816304119

9. 生物正交化學

生物正交化學指的是在生命系統內能夠發生的，并且不影響生物體本身化學過程的化學反應。一個典型的生物正交化學實驗主要分為兩步。第一步生物標記是，一個簡單的化學基團（比如磷酸基團、疊氮基團等），利用生物體系統（細胞或完整的生物體）自身的生物合成方式整合到目標生物分子上的過程；第二步化學標記為，利用能與第一步中的小分子特異性結合的化學發光基團在一定的條件下與小分子結合或反應，從而可以報告體內被標記的大分子的實時狀態。

來自紐約州立大學的qing lin教授于2017年9月在J. Am. Chem. Soc.上發表了題為“Spirohexene-Tetrazine Ligation Enables Bioorthogonal Labeling of Class B G Protein-Coupled Receptors in Live Cells”的文章。在這個工作中，作者利用基因編碼擴展技術，將賴氨酸的spirohexene衍生物插入到了B型G蛋白偶聯受體（GPCR）中去。再利用spirohexene與tetrazine之間的Diels-Alder反應，實現對GPCR的熒光成像，在溶液態和細胞內均達到了很好的效果。除此之外，這個工作對后續GPCR的研究提供了一個很好的工具。