合理设计及合成特异性探针用于鼠脑中H2Sn及H2S的同时在体分析

注：文末有本文科研思路分析

随着人口老龄化的日趋严重，神经退行性疾病的研究备受国际社会关注。作为重要的抗氧化剂，H₂S在脑功能中发挥着重要的作用。它不仅可以作为中枢神经系统中重要的神经调节剂，而且可通过上调谷胱甘肽的水平和减少线粒体中活性氧的产生来保护神经细胞免受氧化应激影响。然而，最近的研究发现一些最初归因于H₂S的生物学机制，实际上可能是由多硫化氢（H₂S_n，n > 1），一种H₂S的氧化形式所介导的。H₂S_n也许是信号传导中真正的调节剂。一个重要的例子就是和脑疾病密切相关的蛋白硫巯基化过程。先前的研究认为H₂S是蛋白硫巯基化的重要活性分子。然而，从化学反应活性的角度来看，H₂S很难简单地过硫化硫醇基团。相较而言，H₂S_n比H₂S具有更强的氧化能力，因此应在蛋白硫化过程中应具有更强的反应活性。事实上，最近的一些研究已发现H₂S_n在瞬时受体电位蛋白1（TRPA1）通道的硫巯基化修饰中体现出了更高的反应活性。但是，由于缺乏体内同时监测H₂S_n和H₂S的分析方法，严重阻碍了对两者在生理及病理过程中分子机制的进一步研究。因此，为了准确阐明H₂S_n和H₂S在脑功能中的联系及区别，迫切需要建立一种脑内同时检测H₂S_n和H₂S的分析方法。

近日，华东师范大学的田阳教授（点击查看介绍）课题组建立了一种可同时检测H₂S_n及H₂S的电化学分析方法，并成功实现了脑缺血及阿尔兹海默症鼠脑中两者的在体分析。他们首先通过DFT计算及电化学分析，筛选并合成了对H₂S_n及H₂S的特异性识别配体。随后，通过将特异性的识别分子共同组装于介孔纳米金修饰的碳纤维电极上，建立了一种H₂S_n及H₂S高选择性的电化学同时分析方法。并基于此，成功测定了缺血及阿尔兹海默症鼠脑中皮层、海马以及纹状体三个脑区中两者的变化。与此同时，通过追踪和两者密切相关的TRPA1通道蛋白的表达情况，率先观察到在缺血及阿尔兹海默症两种脑疾病模型下TRPA1 通道蛋白的激活和H₂S_n的含量呈现正相关性。

相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，论文的第一作者为华东师范大学的博士生董辉，共同通讯作者为田阳教授和张立敏教授。

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Rational Design of Specific Recognition Molecules for Simultaneously Monitoring of Endogenous Polysulfide and Hydrogen Sulfide in the Mouse Brain

Hui Dong, Qi Zhou, Limin Zhang, Yang Tian

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 13948-13953, DOI: 10.1002/anie.201907210

导师介绍

田阳

https://www.x-mol.com/university/faculty/49547

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们课题组一直致力于氧化应激的相关分子在鼠脑中在体分析新方法的研究和建立。针对鼠脑中测定环境复杂、干扰众多、物质相互转换、体内外测定环境差异大等关键科学问题，发展了一系列鼠脑中小分子的高选择性、高灵敏度、高准确度的在体分析方法(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16328; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 10471; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 127, 14259; Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8129; Anal. Chem., 2015, 87, 2931; Anal. Chem., 2016, 88, 2113.)。作为最重要的抗氧化剂H₂S对于解析氧化应激对于脑疾病的影响具有很大的研究价值。但是，H₂S在脑内的生理过程涉及诸多化学过程，其中伴随很多衍生产物，往往和H₂S的很多功能密不可分。而H₂S_n作为一种H₂S的氧化产物，近年来吸引了愈来愈多的关注。这主要是因为研究表明H₂S_n参与的一些生命过程如蛋白硫化，可能具有比H₂S更强的活性。但是两者功能的区分和联系，因缺乏活体分析方法，而无法准确获知。因此，发展H₂S_n和H₂S的同时在体分析方法将推动硫化物脑功能分子机制的更准确解析。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战主要体现在两点：一是H₂S_n是非电活性的分子，且之前无特异性的电化学探针分子被报道。因此如何合理设计探针分子，将H₂S_n涉及的化学反应有效地转换成特异性的电化学信号，是本课题的挑战之一；二是基于H₂S自身氧化还原信号而构建的探针常受困于反应产物对电极的毒化。因此如何避免上述问题，且设计的H₂S探针分子响应信号和H₂S_n无交叉干扰是另一个挑战；三是：如何确保鼠脑分析中传感的高选择性、高灵敏度、高准确度也存在巨大挑战。更重要的是，这项研究涉及多学科交叉，需要有机合成、传感设计、病理模型构建等多方面知识的储备。而我们团队在前期的研究工作中丰富的研究经验为课题的顺利开展奠定了良好的基础。