用具有AIE特性的荧光光稳定线粒体特异生物探针实时监测线粒体自噬过程

摘要

本申请涉及包含聚集诱导发射(AIE)发光体的荧光生物探针的合成。本发明还涉及一种对细胞进行成像的方法，包括将生物探针引入含有细胞的样品，其中所述AIE发光体与线粒体共价连接；以及通过监测从细胞摄取生物探针发出的荧光来对细胞进行成像。本申请还涉及一种监测线粒体自噬过程的方法，包括将生物探针引入含有细胞的样品，其中所述AIE发光体与线粒体共价连接；以及通过用荧光方法跟踪线粒体形态变化来监测线粒体自噬的过程，其中荧光发射来自于细胞摄入的生物荧光探针。

说明书

相关申请

本申请要求2015年04月13日递交的，申请号为62/178,512的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的申请人为本专利申请的发明人，并且在此整个结合引用，以作参考。

技术领域

本申请涉及具有聚集诱导发射(AIE)特征的发光体的研发，特别是具有AIE特征的荧光生物探针，其可用于监测线粒体和线粒体自噬过程。

背景技术

自噬是一种消化多余的、磨损的、受损的细胞器并恢复其营养物质如氨基酸的过程。术语线粒体自噬已经被引入到线粒体的自噬的具体过程，其主要在保护生物体免受各种疾病(包括神经退行性疾病，心脏病，癌症，感染和衰老)中起重要作用。荧光技术被广泛应用于线粒体自噬的研究。荧光探针同时可以选择性地点亮特定的细胞器，是监测和研究线粒体自噬全过程的有力工具。已经开发出各种类型的荧光探针来标记线粒体，如荧光蛋白、量子点(QD)和小的有机分子。

尽管荧光蛋白对已知线粒体染色具有良好的选择性和敏感性，但是由于聚集引发的猝灭(ACQ)，它们可能容易被蛋白水解酶分解，例如已经显示的，Day，R.N.& Davidson，M.W.，“荧光蛋白的调色板：细胞成像工具，化学学会评论，38，pp.2877-2921(2009)。

对于敏感检测，荧光材料必须在光激发时发出强烈的可见光。ACQ是由于固体中荧光团的聚集引起的发射猝灭。当分散在水性介质中或与生物分子结合时，荧光团分子倾向于聚集，通常会使其荧光猝灭，从而大大限制了其作为生物探针的有效性。ACQ效应还使其难以测定生物系统中的低丰度分子种类，因为来自与生物分析物水平匹配的最小量的荧光团的荧光信号可能太弱而无法被准确测定。此外，在高荧光团浓度下，由于ACQ效应，荧光发射进一步减弱而不是增强。

同时，QD具有重金属核心，在复杂的生物环境中会被氧化，产生不良的细胞毒性和不稳定的荧光信号。与上述材料相比，有机分子的种类更加丰富，不含重金属，与活细胞更相容。在现有技术参考文献中已经报道了具有不同功能的线粒体靶向探针，其实例已由Abbotto Alessandro(WO 2007/113321A1)、Zarling David A.(WO 2008/109740A2)、DarioC.Altieri(US 2009/0099080A1)和ShibnathGhosal(US 2008/0031862A1)报道。然而，常规荧光染料对线粒体染色的光稳定性留下了很大的改进空间。

发明内容

在本申请一个实施例中，设计并合成了一种荧光生物探针。响应于所述负线粒体膜电位，该生物探针可被线粒体静电吸收。被吸收后，它共价结合于线粒体蛋白质并保留在线粒体中，即使线粒体随后去极化。

在本申请一个实施例中，该生物探针包括AIE发光体，该AIE发光体具有一个或多个杂环单元和选自由

构成的组；

其中，

R₁单独选自N₃和异硫氰酸酯；

R₂、R₃、R₄、和R₅分别选自由H、烷基、不饱和烷基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、C_nH_2n+1、C₁₀H₇、C₁₂H₉、OC₆H₅、OC₁₀H₇、OC₁₂H₉、C_nH_2nCOOH、C_nH_2nOH、C_nH_2nCHO、C_nH_2nCOOC₄O₂N、C_nH_2nNCS、C_nH_2nN₃、C_nH_2nNH₂、C_nH_2nSH、C_nH_2nCl、C_nH_2nBr和C_nH_2nI构成的组；

n＝0到20；且

X是一价的抗衡离子，单独选自由I、Cl、Br、PF₆、ClO₄、BF₄、BPh₄、和CH₃PhSO₃构成的组。

本申请的一个实施例包括生物探针TPE-Py-NCS，其由具有AIE特征的四苯乙烯-吡啶鎓(TPE-Py)，异硫氰酸酯(NCS)官能团和用于特异性线粒体成像的带正电荷的吡啶鎓单元构成。生物探针或染料可以特异性地定位在线粒体中，并且内部的碱性环境有助于生物探针中的NCS官能团与线粒体中的氨基的化学反应。这形成了可以抵抗生物实验中的有机溶剂处理的紧密连接。

生物探针对线粒体具有高度的特异性，优异的光稳定性，低细胞毒性和线粒体膜电位丧失的高抗性。由于这些优点，这个生物探针可被用于监测线粒体自噬的过程。

附图说明

图1A-B显示了TPE-Py-NCS在DMSO-d₆中的¹H-NMR>13C-NMR光谱。

图2显示了TPE-Py-NCS的质谱(MALDI-TOF)。

图3显示了TPE-Py-NCS在DMSO中的UV-vis吸收和光致发光(PL)光谱。

图4A-B显示了具有不同水分(f_w)的DMSO/H₂O混合物中TPE-Py-NCS的PL光谱和PL强度对TPE-Py-NCS的DMSO/H₂O混合物的组成的曲线。

图5显示了PBS中TPE-Py-NCS纳米聚集体的粒度分析。

图6显示了通过MTT测定确定的TPE-Py-NCS对HeLa细胞的细胞毒性。

图7A-C显示了利用TPE-Py-NCS和MitoRedCMXRos共染色的HeLa细胞的荧光图像。

图8A-I显示了用(A-C)TPE-Py-NCS(5μM)、(D-F)TPE-Py(5μM)和(J-I)MTR(50nM)染色15分钟的HeLa细胞的荧光图像。(A，D和G)中染色的细胞没有任何处理，(B，E和H)中用4％PFA固定，(C，F和I)用4％PFA固定，然后用丙酮洗涤三次。

图9A-B显示了(A)在405nm(TPE-Py-NCS)UV和560nm(MTR)处的连续激发下分别用TPE-Py-NCS和MTR染色的HeLa细胞的共聚焦图像，以及(B)TPE-Py-NCS和MTR荧光发射与时间的损失曲线。

图10显示了用雷帕霉素(50μg/mL)处理后用TPE-Py-NCS和LTR染色的HeLa细胞的共聚焦图像。选择时间点(min)来说明自噬的线粒体消化的发生和完成。

图11A-B显示用雷帕霉素处理后的HeLa细胞的共聚焦图像，(A)利用MTR和LTG共染色，(B)利用TPE-Py-NCS和LTR共同染色。

具体实施方式

定义

提供以下定义用于理解本申请的目的和构建所附专利权利要求。

注意，如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“a”，“an”和“the”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。

“聚集诱导发射”是指荧光/磷光在聚集形式或固态中开启。当分子溶解时，材料是非发射的。然而，当分子内旋转被限制时，发射被开启。

“发射强度”是指通常从荧光光谱仪或荧光显微镜测量得到的荧光/磷光的大小。

“荧光团”是指表现出荧光的分子。

“发光体”是指表现发光的分子。

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所述主题相关的本领域普通技术人员通常理解的相同含义。

如果提供了一系列数值范围，例如，浓度范围、百分比范围或比率范围，则应理解，除非上下文另有明确规定，否则，每个中间值至下限单位的十分之一，在该范围的上限和下限之间以及在所述范围内的任何其他所述或中间值包含在所述主题内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在较小范围内，这样的实施例也包括在所描述的主题内，在所述范围内受到任何具体排除的限制。在所述范围包括一个或两个限制的情况下，排除所述限制中的一个或两个的范围也包括在所述主题中。

在整个申请中，各种实施例的描述使用“包括”；然而，本领域技术人员可以理解的是，在一些具体情况下，可替代地使用“由...组成”或“组成”。

为了更好地理解本发明，并且绝不限制本发明的范围，除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字和其它数值将被理解为在所有情况下都被修改为“约”。因此，除非有相反的指示，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是可能根据寻求获得的期望性质而变化的近似值。至少，应至少根据报告的有效数字的数量和通过应用普通舍入技术来解释每个数值参数。

缩写

ACQ:聚集引起的淬灭

AIE:聚集诱导发光

CMXRos: 氯-X-rosamine

DLS:动态光散射

DMSO: 二甲基亚砜

f_w:>

HRMS: 高分辨率质谱

ICT:分子内电荷转移

LTG:溶酶体绿色荧光探针

LTR:溶酶体红色荧光探针

MADLI-TOF:基质辅助激光解吸电离飞行时间

MTR:MitoRed CMXRos

MTT:3-(4,5-二甲基-2-噻唑基)-2,5-二苯基四唑溴化物

NMR:核磁共振

PBS:磷酸盐缓冲盐水

PFA:多聚甲醛

PL: 光致发光

QD: 量子点

TPE:四苯乙烯

TPE-Py: 四苯乙烯-吡啶

TPE-Py-NCS: 四苯乙烯-异硫氰酸吡啶鎓

UV: 紫外线

在一个实施例中，本申请涉及一种包含AIE发光体的生物探针，该AIE发光体具有一个或多个杂环单元和选自由

构成的组；

其中，

R₁单独选自N₃和异硫氰酸酯；

R₂、R₃、R₄、和R₅分别选自由H、烷基、不饱和烷基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、C_nH_2n+1、C₁₀H₇、C₁₂H₉、OC₆H₅、OC₁₀H₇、OC₁₂H₉、C_nH_2nCOOH、C_nH_2nOH、C_nH_2nCHO、C_nH_2nCOOC₄O₂N、C_nH_2nNCS、C_nH_2nN₃、C_nH_2nNH₂、C_nH_2nSH、C_nH_2nCl、C_nH_2nBr和C_nH_2nI构成的组；

n＝0到20；且

X是一价的抗衡离子，单独选自由I、Cl、Br、PF₆、ClO₄、BF₄、BPh₄、和CH₃PhSO₃构成的组。

在一个实施例中，所述AIE发光体包括异硫氰酸酯官能团。在一个实施例中，所述AIE发光体与线粒体膜上的蛋白质共价结合。

在一个实施例中，所述生物探针用于实时监控线粒体自噬过程。在一个实施例中，由于AIE发光体与线粒体共价连接，所述生物探针用于跟踪形态变化和监测线粒体自噬的过程。在一个实施例中，由于AIE发光体与线粒体共价连接，所述生物探针用于线粒体成像。

在一个实施例中，由于生物探针的细胞摄取在线粒体所产生的荧光，可用于成像。在一个实施例中，成像样品包括任何种类的细胞。成像样品包含癌细胞，例如，HeLa细胞或MCF-7细胞。

在一个实施例中，本申请涉及一种成像细胞的方法，包括：将生物探针引入到含有细胞的样品中，其中所述AIE发光体与线粒体共价连接；以及通过监测从细胞摄取生物探针发出的荧光来对细胞进行成像。

在一个实施例中，本申请涉及一种监测线粒体自噬过程的方法，包括：将生物探针引入到含有细胞的样品中，其中所述AIE发光体与线粒体共价连接；以及通过跟踪形态变化来监测线粒体自噬的过程，其中从生物探针的细胞摄取发射荧光。

在一个实施例中，所述生物探针包括TPE-Py-NCS作为所述AIE发光体：

利用NCS官能团，TPE-Py-NCS是第一个与线粒体共价连接的AIE活性荧光探针。TPE-Py-NSC对线粒体具有高度的特异性，优异的光稳定性，低细胞毒性和对线粒体膜电位丧失的高抗性。例如，如图7所示，用TPE-Py-NCS染色的图像可以与用MTR标记的图像很好地重叠，Pearson相关系数为0.97，表明TPE-Py-NCS可以以高特异性靶向线粒体。类似地，如图9所示，在总共照射时间为10分钟的17次扫描之后，对于TPE-Py-NCS，约20％的荧光信号丢失，但是仍然可以清楚地观察到HeLa细胞的线粒体。相比之下，只有20％的初始信号强度保留在MTR中，线粒体图像在17次扫描后几乎消失。显然，TPE-Py-NCS显示出了高得多的光漂白抗性和比MTR更好的线粒体染色。

关于生物探针的低细胞毒性，如图6所示，使用MTT测定评估TPE-Py-NCS对HeLa细胞的细胞毒性。细胞存活率在浓度为7.5微摩尔/升(工作浓度为5.0微摩尔/升)的TPE-Py-NCS存在下几乎没有变化，表明荧光分子具有良好的生物相容性。如图8A-I所示，即使用丙酮洗涤三次后，固定细胞中线粒体的荧光大多被保留了，这表明除了疏水和静电相互作用外，TPE-Py-NCS与线粒体蛋白质形成强而稳定的化学键。因此，TPE-Py-NCS可用于线粒体成像和形态变化跟踪。它也非常适合监测线粒体自噬的过程。

在一个实施例中，本申请涉及具有用于实时监测线粒体自噬过程的具有AIE特征的荧光生物探针。在一个实施例中，用于成像的荧光由线粒体发射，并且由生物探针的细胞吸收产生。在一个实施例中，AIE发光体包含异硫氰酸酯官能团。在一个实施例中，AIE发光体与线粒体膜上的蛋白质共价键合。在一个实施例中，成像样品包含任何种类的细胞，并且可以是癌细胞，例如，HeLa细胞或MCF-7细胞。

根据以下合成路线合成TPE-Py-NCS：

在三苯基膦(PPh 3)存在下，N3-Py-TPE与二硫化碳(CS2)的反应提供了TPE-Py-NCS产物。最后的产物由HRMS、1H和13C NMR光谱完全表征，从中获得对应结构的结果(图1-2)。还研究了TPE-Py-NCS的光学性能。TPE-Py-NCS在DMSO溶液中的紫外吸收和光致发光(PL)光谱如图3所示。TPE-Py-NCS在DMSO溶液中的吸收和发射最大值分别位于397nm和638nm。TPE-Py-NCS的这种大的斯托克斯位移(>240nm)是由于其扩展的共轭以及从给电子的TPE部分到受电子的吡啶鎓单元的分子内电荷转移(ICT)效应。由于生物成像通常使用405nm作为激发源，因此使用405nm的激发光进行PL测量。已知的是AIE分子将在溶液中发光弱或不发光，但是在固体或聚集状态下会发强光。

为了验证TPE-Py-NCS是否是AIE活性的，记录了TPE-Py-NCS与不同水分(f_w)的DMSO/H₂O混合物的PL光谱。从图中的PL光谱可以看出，如图4所示，TPE-Py-NCS在纯DMSO溶液中的发光较弱，当向DMSO溶液中逐渐加入水直到水分达70％时，TPE-Py-NCS发光不断减弱。然而，当水分进一步增加时，PL迅速增加。在99％的水含量下，发光强度比纯DMSO溶液高出5倍以上。通过动态光散射(DLS)粒度分析(图5)证实，PL的增强归因于纳米聚集体的形成。显然，TPE-Py-NCS是AIE活性的。值得注意的是，因为ICT效应的降低和聚集体中更扭曲的构象，TPE-Py-NCS的聚集体比其在DMSO溶液中单个的分子发出更蓝的颜色。

TPE-Py-NCS的应用

1.线粒体成像

生物相容性是生物成像应用中使用的荧光团的重要参数之一。使用3-(4,5-二甲基-2-噻唑基)-2,5-二苯基四唑溴化物(MTT)细胞活力测定评估TPE-Py-NCS对HeLa细胞的细胞毒性。当荧光团浓度高达7.5μM时(图6)，超过85％的细胞被观察到具有活力，表明TPE-Py-NCS具有良好的生物相容性。接下来，探讨了TPE-Py-NCS作为细胞内成像荧光显像剂的应用。在37℃下用TPE-Py-NCS(5μM)孵育15分钟后，用PBS溶液洗涤HeLa细胞三次，然后成像。如图7A所示的荧光图像，在线粒体的管状和网状结构中观察到强烈的黄色荧光。

为了进一步证明TPE-Py-NCS靶向线粒体，使用商业上可获得的线粒体显像剂的MitoRed CMXRos(MTR)共染色HeLa细胞作为比较(图7B)。如图7C所示，来自MTR的红色荧光的位置与TPE-Py-NCS的黄色荧光良好匹配。两个荧光图像之间的Pearson相关系数为0.97，表明TPE-Py-NCS可以特异性地染色线粒体。

2.抵抗微环境的变化

线粒体膜含有大量蛋白质，其中氨基(NH2)和硫醇基(SH)在表面上被广泛暴露。由于NCS基团对NH₂基团具有高反应性，所以假设当AIE染料被线粒体吸收以响应负膜电位时，TPE-Py-NCS将与线粒体蛋白质上的NH₂基团发生化学反应。为了验证这一假设，首先将HeLa细胞与TPE-Py-NCS一起温育，然后用PFA固定后用丙酮洗涤细胞。如图8A-B中，线粒体在活细胞和固定细胞中都对TPE-Py-NCS清晰可见。有趣的是，用丙酮洗涤三次后，固定细胞中线粒体的荧光大部分被保留了(图8C)，表明TPE-Py-NCS可以与线粒体蛋白形成稳定的化学键。

为了比较，在相同条件下，还使用AIE染料TPE-Py染色HeLa细胞。TPE-Py与TPE-Py-NCS具有相似的化学结构，但没有NCS基团，如下所示：

可以在活细胞或固定细胞中观察到来自TPE-Py的亮黄色荧光(图8D-E)。然而，当用丙酮处理细胞时，荧光消失了(图8F)，表明TPE-Py溶解在丙酮中，然后被洗去。这些结果进一步证明，由于NCS基团和蛋白质上的NH₂基团之间的化学反应，保留了TPE-Py-NCS在线粒体中的荧光。另一方面，含有硫醇反应性的氯甲基基团的商业染料MTR可与线粒体蛋白形成共价键，显示出与TPE-Py-NCS类似的结果。可以在有或没有处理的细胞中观察到红色荧光(图8G-I)，但是在丙酮洗涤之后，荧光被弱化并且线粒体的细微结构变得不清楚。这些结果可以通过蛋白质上的NH₂基团的量远大于硫醇基来解释。因此，与MTR相比，更多的TPE-Py-NCS被反应掉了。

3.耐光性

为了定量研究TPE-Py-NCS和MTR的光稳定性，通过共聚焦显微镜(蔡司激光扫描共聚焦显微镜LSM 7DUO)连续扫描细胞。HeLa细胞用5μMTPE-Py-NCS或50nM MTR分别染色15分钟。405nm和560nm通道分别用于照射TPE-Py-NCS和MTR染色的细胞。在功率计的帮助下，来自两个不同通道的励磁功率统一为50μW。将TPE-Py-NCS和MTR染色细胞的第一次扫描中涉及的初始强度归一化，并计算荧光信号损失的百分比(图9B)。如图9A所示，10min后，TPE-Py-NCS的信号损失几乎为20％，第一分钟和10分钟之间没有显著差异。相比之下，留在MTR组的荧光信号为20％。在连续扫描后观察到非常弱的信号，约10分钟。

4.自噬

Mitophagy用于描述发生在线粒体中的特定细胞器自噬。自噬是保持细胞健康的关键。在此过程中，线粒体受损，例如营养剥夺，细胞损伤或药物诱发的损伤。形成自噬，损伤的线粒体被亚细胞膜包裹。然后自噬被递送至溶酶体并降解。通过观察线粒体和溶酶体的重叠率，可以证实线粒体自噬的出现。这个动态过程大概是八分钟。然而，由于工作浓度低，单个分子容易受到强激发光的破坏，导致常规染料的光稳定性较差，使得用荧光方法对过程的监测受到限制。相比之下，由于其AIE特性，TPE-Py-NCS形成纳米聚集体。当暴露于激发光时，纳米聚集体的最外层会被光漂白。然而，冷凝的颗粒可以通过避免氧气扩散到颗粒中来防止进一步的光漂白和光氧化。由于TPE-Py-NCS优异的光稳定性，使用TPE-Py-NCS作为生物探针或染料可以解决这个问题。

为了测试自噬过程中TPE-Py-NCS的表现，并按照先前报道的方案，HeLa细胞与TPE-Py-NCS和LTR共染色。在TPE-Py-NCS和LTR被加载之后，初始浓度的三分之一的LTR在实验期间被保持在培养基中以保持稳态负荷。在共焦显微镜阶段，将完全生长培养基切换至磷酸盐缓冲盐水(PBS)加上50μg/ml雷帕霉素。雷帕霉素是一种众所周知的药物，可以触发线粒体自噬。自噬诱导后65分钟至85分钟收集时间序列的共聚焦图像。通过与TPE-Py-NCS和LTR共同标记，可以观察到酸性溶酶体内的线粒体包埋。

如图10所示，在PBS加雷帕霉素72分钟后，用LTR加载的没有与线粒体共同标记的区域是明显的。与自噬体的出现和消失相比，溶酶体被维持，存在于图10的所有图像中。1.5分钟后，箭头上的线粒体开始用LTR标记。该标记在接下来的几分钟内继续存在。约7.5分钟后，LTR标记结构消失。这些图像直接显示了单个线粒体转化为含有线粒体的自噬体/自噬溶酶体。

通过打开共聚焦显微镜的针孔达到1μm的光学切片厚度，使共聚焦片段的同一平面内的细胞器的随机重叠最小化。由于溶酶体的直径约为0.8μm，线粒体的直径约为1μm，在LTR标记的自噬体/自噬溶酶体内同时完全捕获了TPE-Py-NCS标记的线粒体。与正常的线粒体相比，自噬体/自噬溶酶体结构中的TPE-Py-NCS荧光逐渐变弱，这是由于水解消化。

自噬开始后，再次研究光稳定性。按照该方法，在加入雷帕霉素之前，将一个HeLa的皿与TPE-Py-NCS(5μM)和LTR(150nM)共染色30分钟。作为对照组的HeLa的另一个皿与MTR(50nM)和LTG(150nM)共染色30分钟。诱导开始后，在PBS中加入雷帕霉素(50μg/ml)后，从70分钟至80分钟收集连续扫描图像。如图11A所示，对照组的信号变弱，在最后的图像中，不能清楚地观察到MTR和LTG的重叠区域。相反，在图11B中，线粒体和溶酶体的结构清晰可见，线粒体和溶酶体的重叠区也借助于TPE-Py-NCS和LTR的黄色和红色荧光显示。

根据本文所述的信息，在不脱离以下权利要求的精神和范围的情况下，本申请所属领域的技术人员将容易明白对本主题的精确描述的各种偏离。本发明的范围不限于所定义的步骤、性质或组分，因为优选实施方案和其它描述仅用于说明目前提供的主题的特定方面。实际上，对化学，生物化学或相关领域的技术人员显而易见的是，用于实施本主题的描述模式的各种修改意图在以下权利要求的范围内。