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循环“激活-失活”探针的构建及其时间分辨监测

理解生命过程的分子调控机制是现代生物学研究的前沿焦点。对活细胞内的活性分子进行高时空分辨的监测是理解分子调控机制的首要前提。经典的色谱、质谱主要针对细胞裂解液的检测,基于荧光探针的光学显微成像技术是实现活细胞内物质原位检测的主要手段。


然而困扰当前荧光探针领域的关键科学问题是,现有的荧光小分子探针遇到目标物会立即发生识别、检测,不具时序可控性。并且多数探针分子只能检测一种目标物,不能满足现代生物学研究中同时对多种关联的生物活性分子及其相互作用进行动态监测的迫切需求。解决该科学问题的难点在于需要由非侵入式的控制因素(如光)对位于活细胞内的荧光探针进行可逆的“激活”与“失活”,使得探针的检测具有时间分辨性。理论上,直接设计并合成具有多种相互关联功能(如可逆光控、分子识别、信号转导)的探针分子是非常难以着手的。


近期,重庆大学魏为力点击查看介绍研究组通过超分子纳米自组装在有限的纳米尺度上高度集成多种功能,构建了单波长近红外光(NIR)可逆控制“激活”与“失活”的纳米探针,用于活细胞内多种生命反应过程的原位、实时动态监测。该策略不仅能为人们更好地理解物质与能量代谢的分子调控机制提供创新性的研究工具,也为肿瘤及相关疾病的诊断与创新药物发现提供重要技术支撑,对人类生命健康具有重要意义。

图1.单波长近红外光控的纳米探针激活与失活。图片来源:ACS Sens.


如图1所示,纳米探针由小分子化学探针与纳米载体组成,而纳米载体包含三个基本组件:(1)近红外光功率密度敏感的上转换核心,可将980 nm激光正交转换为两种类型的发射。(2)中空的介孔二氧化硅层,可实现化学探针的存储,以及作为外部脂质双分子层的支架。(3)将光敏的偶氮苯衍生物掺入脂质双分子层,从而实现单波长控制的可逆且快速地激活和失活。


在高功率密度近红外光的照射下,上转换核心同时发射出紫外和可见光,这两种光可触发脂质膜中偶氮苯分子构象的连续旋转及反转。此时,旋转的分子可作为一种分子马达促进内部小分子化学探针的跨脂质膜转运,从而实现靶标的检测。而当纳米探针暴露于低功率密度近红外光下时,上转换核心只能发出单一的可见光。此时,可见光可快速的将偶氮分子从顺式构象转变为反式构象,封闭磷脂双分子层,阻止小分子化学探针的释放,从而实现纳米探针的快速失活。

图2.基于NADH纳米探针的时间分辨动态监测细胞过程。(A)癌细胞中有氧糖酵解过程和NADH相关代谢的示意图。(B,C)近红外光调控Hela细胞中基于NADH的细胞过程的显微图像和流式细胞直方图。图片来源:ACS Sens.


基于上述纳米探针的构建,该研究以还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)纳米探针为例,成功的实现了单波长控制的循环“激活-失活”策略并用于时间分辨的监测癌症细胞内糖酵解和配体诱导的酶促等过程(图2)。值得一提的是,该纳米探针具有普适性,我们设想,这种循环、可切换的“开-关”纳米探针策略将广泛地赋予传统小分子化学探针高精度和高时间分辨率的前景。


此外,该团队近期还设计并合成了一种新型的荧光探针,基于类似的策略构建了一种双重NIR光平台(NIR激活和信号输出),用于碱性磷酸酶(ALP)的活体时间分辨监测。首先,基于二氯取代的二氰基亚甲基-4H-色烯(BDCM)衍生物合成了一种新型的基于碱性磷酸酶活性检测的近红外荧光探针(图3)。与传统的基于BDCM的探针相比,二氯取代基的引入增强了酸性环境中的探针的荧光效率和稳定性,扩大了其适用的pH范围。然后,借助近红外光响应纳米容器,赋予了该小分子探针时间分辨成像的能力。

图3.(A)设计基于BDCM衍生物的荧光探针的策略和荧光机理。(B)基于Cl2-BDCM的ALP检测荧光探针(Cl2-BDCM-ALP)。图片来源:Anal. Chem.


基于平台的优越性,该研究成功的实现了在体外和体内(例如酸性肿瘤环境)的ALP活性成像。此外,利用其高时间分辨成像能力,该平台还成功应用于小鼠模型中监测药物诱导的急性肝损伤早期预警(图4)。

图4. 小分子化学探针和纳米探针的组织保留行为,及其对药物诱导急性肝损伤模型的ALP的时间分辨监测。图片来源:Anal. Chem.


这两个成果近期分别发表在ACS Sensors[1]Analytical Chemistry[2]上,文章的第一作者是重庆大学博士研究生揭旭


1. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Time-Resolved Monitoring of Intracellular Processes with a Cyclical On-Off Photoswitchable Nanoprobe

Xu Jie, Haimei Yang, Yuchen Su, Zhining Xia, Weili Wei*

ACS Sens., 2019, DOI: 10.1021/acssensors.9b01182


2. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Red–Near-Infrared Fluorescent Probe for Time-Resolved in Vivo Alkaline Phosphatase Detection with the Assistance of a Photoresponsive Nanocontainer

Xu Jie, Mei Wu, Haimei Yang, Weili Wei*

Anal. Chem., 2019, 91, 20, 13174-13182, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03497


魏为力研究员简介


魏为力,重庆大学研究员。2010年于中科院生态研究中心获得博士学位。2010-2014年在中科院长春应用化学研究所先后任助理研究员和副研究员。2014年4月通过重庆大学“百人计划”青年学者项目加入重庆大学。现为重庆大学药学院药物分析学、药物设计及天然药物化学系主任。


研究涉及生物及药物分析领域,主要包括:生物分析及分子诊断;光学传感;手性可视传感;有机或无机手性材料用于生物分子相互作用。目前在Angew. Chem.,PNAS, Chem. Sci.,Chem. Chem.,Anal. Chem.等期刊发表SCI论文40余篇,SCI它引近1500次。主持及参与国家,省部级项目8项。


魏为力

https://www.x-mol.com/university/faculty/18700

课题组网站

http://spsgroups.cqu.edu.cn/wwlktz/HOME.htm


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