综述:一种新型的溶酶体靶向荧光探针,用于细胞内次氯酸(HClO)的成像以及水环境的检测,该探针结合了智能手机辅助的定量分析技术

时间:2026年5月28日
来源:Bioorganic Chemistry

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张佳怡|王倩|任亚双|向洪璐|曹兰梅|李宇|李丹|高飞然|肖松阳|唐玉萍|罗伟芳中国陕西省中医药大学陕西中医中药配伍重点实验室,咸阳712046。摘要次氯酸(HClO)是一种活性氧(ROS),可调节人体的多种生理和病理过程。然而,其过量积累会引发炎症性肠病、类风湿性关节炎、心血管

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张佳怡|王倩|任亚双|向洪璐|曹兰梅|李宇|李丹|高飞然|肖松阳|唐玉萍|罗伟芳
中国陕西省中医药大学陕西中医中药配伍重点实验室,咸阳712046。

摘要

次氯酸(HClO)是一种活性氧(ROS),可调节人体的多种生理和病理过程。然而,其过量积累会引发炎症性肠病、类风湿性关节炎、心血管疾病和神经退行性疾病等疾病。此外,HClO还用于传染病爆发期间的公共消毒,以阻断病原体传播,但其过度排放会导致水污染,危及水生生物,并引发严重的人类呼吸系统和皮肤疾病。为阐明HClO在环境和生物系统中的复杂作用,开发准确的检测方法至关重要。本研究通过酰化和取代反应合成了新型萘衍生物荧光探针Z,以4-溴-1,8-萘酰亚胺作为荧光团,吗啉作为溶酶体靶向基团,二甲基硫代氨基甲酰氯作为识别基团。探针Z具有显著的可视化优势:加入HClO后,在365纳米紫外光下1分钟内从淡黄色变为荧光黄色,荧光强度增强13倍,具有高选择性、高灵敏度和0.52纳摩的低检测限。它能够检测水样中的HClO,并实现细胞内溶酶体HClO的荧光成像。值得注意的是,结合智能手机的数据处理功能,它可以可靠地定量HClO,为探索HClO的生物学作用和现场高通量可视化检测提供了新工具。

引言

次氯酸(HClO)是日常生活中常用的消毒剂,在预防和控制传染病传播方面发挥着重要作用。此外,它是生物体内独特的活性氧(ROS),也是正常氧化代谢的副产物[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在正常水平下,次氯酸有助于增强免疫力、消灭细菌、杀死病变细胞并调节生物过程[6]、[7]、[8]。然而,在缺氧、缺血、吞噬作用、化学或辐射损伤、炎症和衰老等条件下,过量的HClO会破坏细胞氧化还原平衡,从而导致氧化应激和组织损伤。因此,它与炎症和氧化应激相关疾病(如肺损伤、类风湿性关节炎和肾脏疾病)密切相关。在更严重的情况下,长期的氧化损伤可能进一步导致慢性疾病,包括动脉粥样硬化和神经退行性疾病[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。因此,准确快速地检测样品和活细胞中的HClO具有重要意义。
传统的HClO检测方法包括电化学方法[14]、气相色谱[15]和液相色谱[16]。这些分析方法都需要昂贵的仪器和复杂的样品预处理[17]。由于荧光探针具有高灵敏度、高选择性、非侵入性和低毒性[18]、[19]、[20]、[21]、[22],它们正迅速成为最有前景的检测方法之一。因此,开发用于HClO检测的荧光探针受到了广泛关注。萘二甲酸酐是一种典型的荧光基团,其萘环结构提供了共轭平面结构,这使得量子产率较高且化学稳定性良好。此外,其结构易于修饰。然而,为了实现靶向传感并减少有机试剂造成的损伤,大多数基于萘酰亚胺的探针需要进一步修饰,这些修饰可以提高水溶性和靶向能力[23]、[24]、[25]。
基于这些特性,设计了一种具有分子内电荷转移(ICT)特性的新型荧光探针Z。该探针由三部分组成[26]、[27]、[28]:萘酰亚胺荧光团作为响应单元,吗啉和哌嗪基团作为溶酶体靶向和pH响应单元[29]、[30],氮-二甲基硫代氨基甲酰氯基团作为HClO的识别单元[32]、[33]、[34]。加入HClO之前,由于ICT效应,荧光被抑制;加入HClO后,ICT过程被抑制,荧光强度显著增强。总之,该探针具有高水溶性、良好的靶向能力和快速响应特性,能够检测活细胞中HClO水平的动态变化,同时为水样中HClO的监测提供了有效方法。

章节片段

材料与仪器

所有用于合成的试剂和溶剂均为市售产品,无需进一步纯化。主要原料包括4-溴-1,8-萘二甲酸酐、N-(2-氨基乙基)吗啉和哌嗪(Energy Chemical Co., Ltd.),乙醇、乙二醇单甲醚和三乙胺(Guangdong Guanghua Sci-Tech Co., Ltd.),以及氢氧化钠、三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)和盐酸(Aladdin Shanghai Reagent Co., Ltd.)。缓冲溶液

光学响应特性

探针Z是通过化合物2(补充材料S1)与二甲基硫代氨基甲酰氯反应合成的。探针Z的结构通过1H NMR、13C NMR和ESI-MS(补充材料S4、S5、S6)进行了表征。探针的光谱特性在2毫升纯PBS缓冲液(pH 7.4)中进行了评估。
首先研究了探针Z在紫外吸收下的光学响应。图1a显示,在加入次氯酸(HClO)后,探针Z在400纳米处的紫外吸收显著增强。

结论

总之,基于光诱导电子转移(ICT)机制,开发了一种用于检测次氯酸(HClO)的荧光探针Z。该探针以4-溴-1,8-萘二甲酸酐作为荧光团,二甲基硫代氨基甲酰氯作为识别基团,吗啉作为溶酶体靶向基团。与HClO相互作用后,探针Z的颜色从淡黄色变为荧光黄色。响应在6分钟内达到平衡。

CRediT作者贡献声明

张佳怡:撰写——原始稿件、方法学、数据管理。王倩:撰写——原始稿件、可视化、方法学、数据管理。任亚双:可视化、方法学、概念化。向洪璐:方法学、数据管理。曹兰梅:可视化、数据管理。李宇:验证、数据管理。李丹:软件、实验研究。高飞然:可视化、软件、概念化。肖松阳:软件、数据管理。唐玉萍:撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(82104388、81001669、81560391)、陕西省教育厅专项科研计划(25JK0422)、2023年三秦人才专项支持计划创新创业团队项目,以及秦创原中医药产业创新集聚区项目(L2024-QCY-ZYYJJQ-X47)的支持。

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