今天給大家介紹的文章是J. Am. Chem. Soc.近期的Just Accepted文章，A thiol-chromene “click” reaction triggered self-immolative for NIR visualization of thiol flux in physiology and pathology of living cells and mice。文章的通訊作者是山西大學(xué)的陰彩霞教授。
苯并吡喃是一種重要的有機(jī)化合物，其衍生物具有廣泛的生物與藥理活性，在染料、農(nóng)藥等領(lǐng)域具有應(yīng)用，并且具有良好的光化學(xué)性能，近年來(lái)被應(yīng)用于光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中。另外，該類化合物具有良好的生物相容性與高反應(yīng)活性，在β位的不飽和酮能夠成為良好的結(jié)合位點(diǎn)。該課題組對(duì)苯并吡喃類化合物的合成與傳感器應(yīng)用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該類化合物的與硫醇之間的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)能夠與硫醇體系比色進(jìn)行檢測(cè)。因此，他們希望將其應(yīng)用于近紅外熒光探針中。該方法穿透性強(qiáng)，同時(shí)在生物樣品基質(zhì)中的光吸收與熒光強(qiáng)度均較弱，從而具有本底干擾弱的優(yōu)點(diǎn)。
基于上述一系列特征，本課題組將能夠與硫醇發(fā)生點(diǎn)擊反應(yīng)的苯并吡喃，與具有自犧牲響應(yīng)性的氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了如圖1所示的自犧牲近紅外熒光硫醇探針,NIR-HMPC。通過(guò)密度泛函理論計(jì)算，作者證明NIR-HMPC探針中的LUMO軌道主要位于苯并吡喃結(jié)構(gòu)，HOMO軌道主要位于氧雜蒽的酚醛結(jié)構(gòu)。這就解釋了硫醇點(diǎn)擊反應(yīng)前后的熒光變化。
圖1 NIR-HMPC探針設(shè)計(jì)與機(jī)理示意圖
為檢測(cè)探針對(duì)體內(nèi)氨基酸以及其他主要含硫物種的選擇性，作者在pH 7.4的PBS緩沖條件下使用該探針對(duì)包括含硫的半胱氨酸（Cys）與甲硫氨酸的多種氨基酸，，谷胱甘肽（GSH），以及硫化氫的響應(yīng)性進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，5分鐘后，只有含有硫醇的實(shí)驗(yàn)組的熒光吸收出現(xiàn)了顯著的紅移，熒光強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)（圖2）。
圖2 NIR-HMPC探針選擇性實(shí)驗(yàn)證明巰基化合物使信號(hào)產(chǎn)生紅移并增強(qiáng)
動(dòng)力學(xué)研究表明，NIR-HMPC探針對(duì)巰基化合物具有較高的選擇性和快速反應(yīng)性。另外，采用Cys進(jìn)行濃度梯度實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察到了較為良好的線性（圖3），計(jì)算得到該方法在生理?xiàng)l件下的檢出限為0.39 μM，同樣方法得到Hcy與GSH的檢測(cè)限分別為0.54與0.59 μM。
圖3 探針對(duì)巰基化合物能夠快速響應(yīng)，并且具有良好線性特征
接下來(lái)，作者將該探針運(yùn)用于細(xì)胞成像，采用人宮頸癌細(xì)胞系（HeLa），人肝癌細(xì)胞系（HepG2）以及人乳腺癌細(xì)胞系（MCF-7）為模型。毒性實(shí)驗(yàn)表明，探針的細(xì)胞毒性較低，靶向性實(shí)驗(yàn)證明探針對(duì)于線粒體具有良好的靶向性，能夠?qū)罴?xì)胞內(nèi)線粒體中的硫醇進(jìn)行成像。采用誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的試劑PMA與降低谷胱甘肽水平、導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的試劑BSO制造細(xì)胞內(nèi)硫醇含量的波動(dòng)，均能夠證明探針能成功檢測(cè)到大量細(xì)胞內(nèi)硫醇信號(hào)。采用硫醇特異性清除試劑NEM處理細(xì)胞，則熒光信號(hào)被抑制，證明了內(nèi)源性硫醇的特異性熒光反應(yīng)。該方法同樣可應(yīng)用于小鼠實(shí)驗(yàn)中，快速檢測(cè)活體動(dòng)物中的硫醇水平。腦缺血是一種常見(jiàn)的極性腦血管疾病，可引起動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、栓塞、糖尿病等疾病。采用NIR-HMPC探針觀測(cè)腦缺血模型中小鼠體內(nèi)硫醇水平的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小鼠腦缺血后體內(nèi)硫醇水平顯著升高。
綜上所述，本文開(kāi)發(fā)了一種新型苯并吡喃-氨基甲酸酯類近紅外探針，該探針能夠檢測(cè)細(xì)胞與小鼠體內(nèi)硫醇水平，在5分鐘即可快速檢測(cè)，并且具有較好的穿透性與靈敏度。另外，該方法能被用于觀察生物體內(nèi)硫醇在氧化應(yīng)激與細(xì)胞凋亡等過(guò)程中的波動(dòng)，有助于闡明生物的生理與病理過(guò)程。同時(shí)，該方法也為研究硫醇相關(guān)疾病的病理過(guò)程提供了有效的手段。
作者 ：ZY 審校：ZZC
DOI：10.1021/jacs.9b12629
Link：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12629
