山西大學陰彩霞Chem. Soc. Rev.綜述: 用于選擇性靶向、多分析物檢測與成像的功能性合成探針

【背景介紹】

熒光探針作為一種強大的“偵查”工具，它徹底改變了我們檢測和監測生物活性分子的能力。在過去的半個世紀里，成千上萬種基于功能化有機小分子染料、熒光蛋白和納米粒子的熒光探針已經被開發出來。其中許多方法還能夠實時、高靈敏度、選擇性和重現性地測定生物和環境中的分子、離子等。與傳統的單結合位點探針以及特定分析物結合的設計不同，具有多個相互作用位點的探針或具有促進對目標一種或多種分析物串聯反應的單位點探針，其被廣泛用于解決結構相似的化合物和復雜基質中存在選擇性靶向的固有挑戰，以及如活性硫，活性氧，核苷酸和酶等分析物之間的體內相互作用或串擾的可視化。

【成果簡介】

最近，Chem. Soc. Rev.在線刊登了山西大學陰彩霞教授和波特蘭州立大學Robert M. Strongin教授等總結的用于選擇性靶向、多分析物檢測與成像的功能性合成探針研究進展的綜述。題目是“Functional synthetic probes for selective targeting and multi-analyte detection and imaging”。在這篇綜述中，作者綜述了近年來在探針設計、檢測機制和生物過程研究等方面的創新發展。討論了多分析靶向探針的應用前景以及所面臨的挑戰，提出了作者的一些見解和建議，并期望其能促進多分析靶向熒光探針的不斷發展，以便更深入地了解生物生理學過程。

【圖文解讀】

1、引言

2、通過單反應位點靶向多種分析物的探針

2.1、具有單結合位點的探針用于檢測多種硫醇分析物

圖一、三種最常用于檢測的小分子氨基硫醇
圖二、基于巰基取代反應的探針
探針1~4以及1與GSH，Cys和Hcy的反應。而具有給電子R基團的化合物1e和1f是非反應性的。

圖三、基于巰基取代反應的探針
圖四、通過PET和ESIPT過程用于雙通道GSH和Cys/Hcy檢測
圖五、基于NBD衍生物的GSH和Cys/Hcy多色硫醇探針
圖六、用于檢測氨基硫醇和H₂S探針
圖七、基于硫醇-烯基共軛加成/環化反應的探針
圖八、基于pH控制的選擇性檢測活性硫醇探針
2.2、用于非硫醇分析物檢測的單結合位點探針

圖九、用于檢測ClO^-和ONOO^-等ROS或RNS探針
圖十、用于研究ClO^-和氧化應激對SO₂功能影響的探針
3、針對單一分析物的多個反應位點探針

3.1、雙反應位點探針用于檢測H₂S

圖十一、具有兩個親電位點用于選擇性檢測H₂S的探針
圖十二、兩可親電的H₂S探針
圖十三、兩可親電的H₂S探針
3.2、具有多個結合位點的探針用于檢測ATP

圖十四、結構相似的生物磷酸鹽化合物
圖十五、雙結合位點探針用于ATP檢測
圖十六、基于π-π相互作用、結合荷電氫鍵選擇性ATP探針
圖十七、多個結合位點探針用于細胞內ATP成像
圖像顯示KCN抑制線粒體ATP合成（A），喜樹堿誘導細胞凋亡時ATP水平升高（B）

圖十八、ATP激活的FRET共軛聚合物探針
圖十九、溶酶體ATP檢測探針及其在膜融合過程可視化中的應用
（a~b）溶酶體的雙光子活細胞圖像，經歷（a）“親吻并運行”和（b）“完全崩解融合”過程；

（c）（a）中兩種溶酶體比值的變化；

（d）兩種溶酶體開始和最后10秒平均比值的比較；

（e）（a）中兩種溶酶體比值的變化；

（f）融合前后溶酶體平均比值的比較。

3.3、雙反應位點探針用于檢測硫醇、聚硫化物、pH和去甲腎上腺素（NE）

圖二十、雙結合位點的GSH探針
圖二十一、雙反應位點的Cys選擇性探針
圖二十二、雙反應位點Cys靶向探針比相應的單反應位點對照探針更具有選擇性
圖二十三、雙反應位點H₂S_n探針
圖二十四、雙反應位點pH探針
圖二十五、用于小鼠腦組織去甲腎上腺素的檢測和標記探針
4、具有多個反應位點針對多個分析物檢測的探針

4.1、具有多個反應位點的硫醇檢測探針

圖二十六、多反應位點硫醇探針及其與硫醇的反應
圖二十七、雙反應位點硫醇探針
圖二十八、用于檢測GSH和Cys的雙反應位點探針
圖二十九、雙反應位點探針用于三通道硫醇成像
圖三十、Cys代謝探針
圖三十一、用于Cys分解代謝成像的探針
4.2、多反應位點探針用于檢測其他硫衍生物

圖三十二、用于H₂S_n和H₂S成像的探針
將HeLa細胞與探針孵育，用（a、e）無添加物處理；（b、f）Na₂S；（c、g）Na₂S和NaClO；（d、h）Na₂S₂處理后的細胞不同通道熒光成像。

圖三十三、用于GSH和H₂S成像的探針
圖三十四、用于GSH和H₂S_n成像的探針
圖三十五、可實現多色檢測的硫醇和H₂S探針
4.3、多反應位點探針用于檢測ROS、H₂S和RNS

圖三十六、H₂O₂和NO探針
圖三十七、雙反應位點探針用于體內ROS和H₂S的檢測和監測抗抑郁藥物誘導的HClO和H₂S含量升高
（a~j）（a、f）PBS緩沖液處理的控制組；（b、g）氟西汀處理；（c、h）度洛西汀；（d、i）氟西汀和度洛西汀先后處理；（e、j）NAC和氟西汀先后處理的細胞成像；

（k~l）（a~e）和（f~j）各組的相對熒光強度比較

圖三十八、雙反應位點探針用于HeLa細胞和斑馬魚的HClO和OH-檢測及其雙通道成像
圖三十九、用于線粒體粘度和H2S或H2O2成像熒光探針
4.4、具有多個反應位點的探針用于酶和其他目標檢測

圖四十、通過不同熒光反應檢測β-D糖苷酶和磷酸二酯酶I活性的多反應位點探針

圖四十一、多反應位點探針同時檢測MMP-2和caspase-3
圖四十二、基于糜蛋白酶和胰蛋白酶同時檢測的多反應位點熒光探針
圖四十三、檢測四種癌相關酶活性的納米探針
圖四十四、同時檢測ATP和硝基還原酶活性的熒光探針
圖四十五、檢測光氣和神經毒劑模型化合物DCP的探針
5、總結與展望

在這篇綜述中，作者總結了多分析靶向合成探針的最新研究進展，這些快速發展的檢測技術使得高選擇性地檢測特定分析物以及同時檢測多個分析物的功能探針成為可能。作者認為，多分析物靶向探針最大的優勢在于其能夠促進靶標之間相互作用的可視化，這解決了探針在檢測多種分析物時所面臨的諸如探針之間的潛在干擾，更大的侵入性效應和潛在定位和代謝差異等關鍵問題。盡管這一類探針取得了很大的進展，但是作者仍指出了其不足之處——包括需要更具體的檢測機制、用于體內成像的近紅外熒光團探針開發、更有效的分子結構策略以及針對更廣泛的生物分子和生理過程等等。最后，作者期望這些總結和建議有助于功能化合成探針的發展，從而進一步推動生物和生物醫學科學的發展。

文獻鏈接： Functional synthetic probes for selective targeting and multi-analyte detection and imaging（Chem. Soc. Rev. 2019, DOI: 10.1039/c8cs01006d）

本文由我亦是行人編譯整理。

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