巴斯大學Tony James&南洋理工大學浦侃裔Nat. Rev. Chem.:用于傳感和治療的雙鎖光學探針

【引言】

光學成像能夠以高時空分辨率和高靈敏度實時、非侵入性地檢測細胞、組織甚至整個生物體中生物分子的定位、運輸和活動。為了將信號與生命系統中的分子狀態或生物事件相關聯，已經開發了許多具有針對生物標志物的靶向或結合能力的“始終在線”探針。然而，由于非特異性相互作用，它們具有較差的信號特異性和低信噪比。相比之下，只有在與感興趣的生物標志物相互作用后才被激活以發出熒光或化學發光的探針會產生更高的信號背景比和更低的檢測限，從而提高體外和體內光學成像的性能。因此，可激活探針的開發有助于更好地了解和診斷癌癥、神經退行性疾病、急性器官衰竭和細菌感染等疾病。

【成果簡介】

在這篇綜述中，巴斯大學Tony James&南洋理工大學浦侃裔總結了開發用于生命系統生物成像的雙重探針的進展。文章特別關注用于生成具有定制光學特性的雙重探針的不同化學結構，并促進它們對不同生物標志物的特定激活。作者的目的是概述目前可用于使用這種雙鎖方法檢測生物環境中的兩種生物標志物或一種生物標志物與另一種刺激（例如光照射）相結合的工具和策略。 除了這個目標，作者首先描述了雙鎖探針構建中使用的不同設計策略，并重點介紹了用于檢測具有生物學意義的生物分子的代表性示例。作者最后討論了該領域當前和未來的挑戰，特別強調了對功能性雙鎖定探針的未滿足需求。該成果以題為“Dual-locked spectroscopic probes for sensing and therapy”發表在Nat. Rev. Chem上。

【圖文導讀】

圖1.包含兩個反應位點的雙鎖探針，可進行兩次連續反應

(a) 概念示意圖 (b) 代表性探針 DCm-gal-CF 和 Qm-B-CF 的化學結構 (c) 代表性探針 (PeG-Ae-5-DFUr) 的化學結構及其響應 H2O2 和 1O2 的活化形式 (d) APtN活化前后的發光光譜 （e）APtN 在模擬腫瘤微環境的酸性條件（pH = 6.0）和 PBS（pH = 7.4）中在不存在或存在 H2O2 的情況下的 5DFUR 釋放曲線 (f) 由生物標志物和光輻射引發的兩個獨立反應激活的雙鎖定探針

圖2.雙鎖探針包含一個反應位點，可進行兩次連續反應

(a) 概念示意圖 (b) 代表性探針 (NmL) 的化學結構及其響應亮氨酸氨肽酶 (LAP) 和單胺氧化酶 (MAO) 的形式 (c-d) 在 LAP 和/或 MAO 存在下 NmL 的歸一化吸收光譜和熒光響應 (e-f) 使用兩個連續反應操作的雙鎖定探針的兩個例子

圖3.雙鎖探針包含兩個反應位點，可實現信號激活和靶向

(a) 概念示意圖 (b) 代表性探針 (CaGF) 的化學結構 (c) 探針 CDG-tre 被 β-內酰胺酶 (BlaC) 激活，得到 6-TG-Tre，Ag85 酶將其加工成 6-TG-Tre 單菌酸 (6-TG-Tre-MM)，通過分枝桿菌鏈轉移從 另一分子海藻糖單霉菌酸酯 (TMM) (d) 雙靶向熒光探針 (CDG-DNBs) 的結構以及與 BlaC 和 decaprenylphosphoryl-β-d-核糖 2'-差向異構酶 (DprE1) 的反應 (e) 雙鎖定探針 mCCL2-mAF 的結構

圖4.雙鎖探針包含一個可以進行兩個獨立反應的熒光團

(a) 概念示意圖 (b) 代表性探針 (FhZ) 的化學結構及其分別響應?OH 和 HClO 的活化形式 (c) 在不存在或存在不同當量 HClO 的情況下 FhZ 的熒光響應 (d) FhZ 在不同當量的?OH 存在或不存在下的熒光響應 (e) 基于一個熒光團的雙鎖定探針

圖5.基于用于雙工成像的兩個發光團的雙鎖定探針

(a) 概念示意圖 (b) 代表性探針 (ADr) 的化學結構及其響應 O2?- 和 NAG 的活化形式 (c-d) 在 PBS 中不存在或存在 KO2 或 NAG 的情況下 ADr 的熒光和化學發光光譜 (e) 雙激活探針均基于用于雙工成像的兩個發光團進行操作 (f) tFP 對添加不同濃度 H2O2（0、0.4、1、2、4、6、8、10、12 和 15 μM）的雙光子熒光響應 (g) tFP 對添加不同濃度（0、0.5、1、3、6、9、12、15、18 和 21 mM）ATP 的雙光子熒光響應

圖6.基于 AND 邏輯的單分子熒光探針

(a) 概念示意圖 (b-c) 用于檢測 AP 和 ME 的探針 C1 (d) 使用不同熒光團的其他基于 AND 邏輯的探針

圖7.使用兩個前體探針的基于 AND 邏輯的系統

(a) 概念示意圖 (b) 通過釋放 6-羥基-2-氰基苯并噻唑和 d-半胱氨酸以及原位形成熒光素同時檢測 H2O2 和 caspase 8 活性的設計策略

圖8.雙鎖熒光探針構建中的福斯特共振能量轉移

(a) 使用兩個熒光團和兩個響應位點的基于 F?rster 共振能量轉移 (FRET) 的系統的設計概念 (b) 基于a中所示的 FRET 類型操作的雙鎖定探針 (c) 包含一個響應單元的基于 FRET 的雙鎖定探針的設計概念 (d) Ly-Nt-sP 的分子設計和對 SO2 提出的傳感機制

圖9.在雙鎖系統中連續添加兩種分析物以誘導兩種不同的熒光通道

(a) 概念示意圖 (b) 探針 3-hF-Ome 與淀粉樣蛋白-β (Aβ) 聚集體的擬議相互作用及其作為新的主客體系統用于過氧亞硝酸鹽 (ONOO-) 的比例傳感的示意圖 (c) 用于 O2?? 和 H2Sn 檢測的探針 hCy-FN 的擬議反應機制 (d) 序列激活雙通道近紅外治療診斷納米前藥的設計

圖10.其他類型的雙鎖熒光探針

(a) 具有一個反應位點的非熒光雙鎖探針的示意圖，可產生兩種不同的熒光信號 (b) 分別在半胱氨酸 (Cys) 和谷胱甘肽 (GSH) 存在下與 NO 的反應機制 (c) 雙鎖探針 13 對缺氧和 NO 與苯丁酸氮芥釋放的工作協議 (d) 帶有一個反應位點的熒光雙鎖探針的示意圖，該探針可以產生熒光中間體，然后在光照射下產生一種非熒光產物并釋放治療劑 (e) FB的化學結構和相應的CO光釋放機制

【小結】

光學成像探針能夠以非侵入性的縱向方式在分子水平上檢測和揭示目標分析物的生理和病理功能。光學成像探針具有簡單、成本低、靈敏度高、適應自動化分析、空間分辨成像能力強、信號輸出模式多樣等優點，已廣泛應用于生物學、生理學、藥理學和醫學等領域。為了構建可靠且與實際/臨床相關的探針，設計過程通常包含多學科主題，包括化學、生物學和醫學。在探針庫中，雙鎖定系統特別有趣，因為它們能夠提供增強的特異性和多重檢測。此外，化學發光是一種低背景、無激發的光學模式，因此可以集成到雙鎖定系統中，允許對兩種不同的生物標志物進行無串擾的熒光和化學發光檢測。對于許多研究人員來說，這些雙鎖系統仍然是一個“黑匣子”。因此，本綜述旨在為此類雙鎖系統提供“初學者指南”，簡單解釋它們的工作原理、功能和應用場合，以幫助讀者更深入地了解這種研究。

文獻鏈接：Dual-locked spectroscopic probes for sensing and therapy. Nat. Rev. Chem., 2021, DOI:10.1038/s41570-021-00277-2

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?