近红外硅基罗丹明——合成方法学及荧光探针的构建与成像研究

摘要

近年来，荧光成像技术为人们研究活体细胞及组织内的化学生物学过程提供了有效的研究工具，可以无损、实时、原位地以高时空分辨率实现对目标物进行生物荧光成像与分析。荧光成像技术在生物学、环境监测、临床诊断和药物发现等诸多研究领域发挥着越来越重要的作用。生物荧光成像技术的最新进展对发展新型小分子荧光染料及探针提出了更高的要求。激发和发射波长位于近红外光区(600-900 nm)的荧光染料及探针由于具有光毒性低、生物分子自发荧光干扰小、光散射低、组织穿透能力强等优点，非常适合用于生物荧光成像领域。
　　研究表明，通过将罗丹明分子中O桥原子用SiMe2代替，得到了硅基罗丹明荧光染料。这类染料分子在保留了罗丹明荧光染料优越的光学性质的同时，光谱发生明显红移，满足了近红外荧光检测的要求，具有良好的生物相容性。在本论文中，我们致力于构建基于硅基罗丹明的近红外荧光成像平台。
　　一、硅基罗丹明染料合成方法学研究
　　现有硅基罗丹明染料的合成方法操作复杂，产率较低，且底物选择范围有限，大大限制了硅基罗丹明荧光探针的发展。为了解决这一问题，我们进行了硅基罗丹明合成方法学的研究工作，开发了一条全新的硅基罗丹明合成路线。通过二芳基硅醚中间体与取代苯甲醛反应，构建硅基罗丹明母核。通过该合成方法，我们大大扩充了硅基罗丹明染料的种类，合成了扩环的和具有不对称结构的硅基罗丹明衍生物，并且成功构建了含有以前方法难以引入基团（如-Br，-NO2等）的硅基罗丹明衍生物。在此基础上，通过Click反应，将细胞线粒体靶向基团引入到含炔基的硅基罗丹明分子中，合成出具有线粒体靶向功能的近红外荧光探针，并成功应用于活细胞线粒体的荧光成像实验中。
　　二、功能化硅基罗丹明近红外荧光探针的构建及成像研究
　　在合成方法学研究的基础上，我们进一步设计并合成了功能化硅基罗丹明近红外荧光探针，并应用于活细胞近红外荧光成像研究中。一方面，硅基罗丹明的螺环化已被证实是一种有效的设计“关-开”型荧光探针的手段，具有荧光背景低和检测灵敏度高等优点。另一方面，在对硅基罗丹明的性质进行研究过程中我们发现，相较于具有类似结构的罗丹明分子，硅基罗丹明有着许多独特的性质，其中较为突出的一点是硅基罗丹明分子中的螺环具有特殊的稳定性，特别是对H+有很强的耐受性。这使得硅基罗丹明在正常生理条件下和酸性环境中都有极低的荧光背景。因此，含有螺环结构的硅基罗丹明分子能够以较高的信噪比实现酸性条件下不同分析物的近红外荧光成像。
　　由于溶酶体的酸性环境，往往会使一般的荧光探针产生背景荧光或者影响探针分子对检测物的响应，使得检测灵敏度降低，因而能够用于对细胞溶酶体中分析物进行生物成像的小分子荧光探针少之又少。得益于硅基罗丹明分子中螺环特殊的稳定性，我们设计并合成了具有溶酶体靶向功能的硅基罗丹明Cu2+探针SiRB-Cu和硅基罗丹明NO探针Lyso-SiRB-NO，分别对其光谱学性质进行了研究，并成功应用于活细胞溶酶体内Cu2+和NO的近红外荧光成像实验中。
　　1、含六元螺环的硅基罗丹明靶向溶酶体Cu2+近红外荧光探针
　　细胞溶酶体Cu2+平衡的调节与许多生理和病理过程着密切的联系，开发一种能够检测细胞溶酶体内Cu2+实时分布和浓度变化的荧光探针具有重要的研究价值。我们报道了一个含有六元胺基硫脲螺环的硅基罗丹明Cu2+探针——SiRB-Cu，胺基硫脲结构不仅仅是Cu2+的结合和反应位点，同时与可以起到溶酶体靶向的功能;螺环的稳定性大大降低了探针SiRB-Cu在溶酶体中的检测背景，提高了检测灵敏度。探针SiRB-Cu实现了活细胞溶酶体内外源性和内源性Cu2+的近红外荧光成像。
　　2、具有溶酶体靶向功能的硅基罗丹明NO近红外荧光探针
　　作为一种重要的信使分子，NO在溶酶体中的作用与许多病理生理过程有关。利用邻苯二胺基团作为NO的反应识别位点，我们合成得到了基于螺环开环原理的硅基罗丹明NO探针SiRB-NO;通过偶联反应引入吗啉结构，作为溶酶体靶向基团，合成得到具有溶酶体靶向功能的NO近红外荧光探针Lyso-SiRB-NO。探针Lyso-SiRB-NO具有一系列H+相关的性质:对H+较强的耐受性、H+能够促进探针对NO的识别、H+能够抑制荧光产物的水解、H+能够使水解产物Lyso-SiRB的荧光增强等。探针Lyso-SiRB-NO以极低的荧光背景、较高的灵敏度、较好的选择性和较好的时空分辨率分别实现了细胞溶酶体内NO的近红外荧光成像。
　　与具有相应结构的罗丹明探针相比，硅基罗丹明探针SiRB-Cu和Lyso-SiRB-NO在细胞溶酶体成像中的成功应用，证明了硅基罗丹明分子中螺环的特殊性质可以成功的用于功能化近红外荧光探针的开发中。
　　总之，我们成功建立了基于硅基罗丹明的近红外荧光成像平台。通过对合成方法学的研究和对基于硅基罗丹明功能化近红外荧光探针的开发，我们证实了硅基罗丹明近红外荧光成像平台在设计功能化生物成像探针上强大的创造性，有利于硅基罗丹明在生物成像领域的应用。

目录

声明

摘要

缩略词表

第一章 前言

一、荧光产生过程

二、荧光生物成像技术及近红外小分子荧光探针简介

(一)荧光生物成像技术简介

(二)几类常见的近红外小分子荧光探针

三、硅基罗丹明类小分子荧光染料研究进展

(一)化合物TMDHS的合成

(二)硅基罗丹明类荧光探针的合成方法

(三)基于PET原理的硅基罗丹明荧光探针

(四)基于螺环开环原理的硅基罗丹明荧光探针

(五)硅基罗丹明光谱范围调节及相关探针的生物学应用

(六)2’-位羧基取代硅基罗丹明在生物成像中的应用

四、本文研究思路介绍

第二章 硅基罗丹明合成方法学研究

一、引言

二、结果与讨论

(一)合成路线设计

(二)关键中间体DASEs的合成

(三)反应条件优化

(四)反应底物选择及硅基罗丹明衍生物的合成

(五)光谱学性质研究

(六)活细胞荧光成像研究

三、实验部分

(一)仪器与试剂

(二)化合物合成

(三)X-射线单晶衍射实验

(四)光谱学性质研究

(五)细胞培养和激光共聚焦成像实验

四、本章小结

第三章 含六元螺环的硅基罗丹明靶向溶酶体铜离子近红外荧光探针的构建及活细胞成像研究

一、引言

二、结果与讨论

(一)化合物的设计与合成

(二)探针SiRB-Cu在生理条件下对Cu2+的响应情况

(三)探针SiRB-Cu对Cu2+的识别机理

(四)pH对探针SiRB-Cu及对其与Cu2+反应的影响

(五)探针SiRB-Cu在溶酶体酸性条件下对Cu2+响应情况

(六)探针SiRB-Cu在生理环境和溶酶体环境下选择性研究

(七)活细胞成像实验

三、实验部分

(一)仪器与试剂

(二)化合物的合成

(三)X-射线单晶衍射实验

(四)光谱学实验

(五)细胞培养和细胞成像实验

四、本章小结

第四章 具有溶酶体靶向功能的硅基罗丹明一氧化氮荧光探针的设计、合成及生物成像研究

一、引言

二、结果与讨论

(一)NO近红外荧光探针SiRB-NO

(二)溶酶体特异性NO近红外荧光探针Lyso-SiRB-NO

三、实验部分

(一)仪器与试剂

(二)化合物的合成

(三)X-射线单晶衍射实验

(四)探针光谱学性质研究

(五)探针细胞毒性研究

(六)细胞成像实验

四、本章小结

总结与展望

参考文献

文献综述 新型取代氧杂蒽类荧光染料及小分子荧光探针研究进展

在读期间科研工作与发表论文情况说明

致谢

附录