今天給大家介紹的文章是J. Am. Chem. Soc.近期的Just Accepted文章，A thiol-chromene “click” reaction triggered self-immolative for NIR visualization of thiol flux in physiology and pathology of living cells and mice。文章的通訊作者是山西大學的陰彩霞教授。
苯并吡喃是一種重要的有機化合物，其衍生物具有廣泛的生物與藥理活性，在染料、農(nóng)藥等領域具有應用，并且具有良好的光化學性能，近年來被應用于光開關的設計中。另外，該類化合物具有良好的生物相容性與高反應活性，在β位的不飽和酮能夠成為良好的結(jié)合位點。該課題組對苯并吡喃類化合物的合成與傳感器應用進行研究，發(fā)現(xiàn)該類化合物的與硫醇之間的點擊化學反應能夠與硫醇體系比色進行檢測。因此，他們希望將其應用于近紅外熒光探針中。該方法穿透性強，同時在生物樣品基質(zhì)中的光吸收與熒光強度均較弱，從而具有本底干擾弱的優(yōu)點。
基于上述一系列特征，本課題組將能夠與硫醇發(fā)生點擊反應的苯并吡喃，與具有自犧牲響應性的氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設計了如圖1所示的自犧牲近紅外熒光硫醇探針,NIR-HMPC。通過密度泛函理論計算，作者證明NIR-HMPC探針中的LUMO軌道主要位于苯并吡喃結(jié)構(gòu)，HOMO軌道主要位于氧雜蒽的酚醛結(jié)構(gòu)。這就解釋了硫醇點擊反應前后的熒光變化。
圖1 NIR-HMPC探針設計與機理示意圖
為檢測探針對體內(nèi)氨基酸以及其他主要含硫物種的選擇性，作者在pH 7.4的PBS緩沖條件下使用該探針對包括含硫的半胱氨酸（Cys）與甲硫氨酸的多種氨基酸，，谷胱甘肽（GSH），以及硫化氫的響應性進行了檢測。結(jié)果表明，5分鐘后，只有含有硫醇的實驗組的熒光吸收出現(xiàn)了顯著的紅移，熒光強度也出現(xiàn)了明顯的增強（圖2）。
圖2 NIR-HMPC探針選擇性實驗證明巰基化合物使信號產(chǎn)生紅移并增強
動力學研究表明，NIR-HMPC探針對巰基化合物具有較高的選擇性和快速反應性。另外，采用Cys進行濃度梯度實驗時，觀察到了較為良好的線性（圖3），計算得到該方法在生理條件下的檢出限為0.39 μM，同樣方法得到Hcy與GSH的檢測限分別為0.54與0.59 μM。
圖3 探針對巰基化合物能夠快速響應，并且具有良好線性特征
接下來，作者將該探針運用于細胞成像，采用人宮頸癌細胞系（HeLa），人肝癌細胞系（HepG2）以及人乳腺癌細胞系（MCF-7）為模型。毒性實驗表明，探針的細胞毒性較低，靶向性實驗證明探針對于線粒體具有良好的靶向性，能夠?qū)罴毎麅?nèi)線粒體中的硫醇進行成像。采用誘導氧化應激的試劑PMA與降低谷胱甘肽水平、導致細胞凋亡的試劑BSO制造細胞內(nèi)硫醇含量的波動，均能夠證明探針能成功檢測到大量細胞內(nèi)硫醇信號。采用硫醇特異性清除試劑NEM處理細胞，則熒光信號被抑制，證明了內(nèi)源性硫醇的特異性熒光反應。該方法同樣可應用于小鼠實驗中，快速檢測活體動物中的硫醇水平。腦缺血是一種常見的極性腦血管疾病，可引起動脈粥樣硬化、高血壓、栓塞、糖尿病等疾病。采用NIR-HMPC探針觀測腦缺血模型中小鼠體內(nèi)硫醇水平的變化，實驗結(jié)果表明，小鼠腦缺血后體內(nèi)硫醇水平顯著升高。
綜上所述，本文開發(fā)了一種新型苯并吡喃-氨基甲酸酯類近紅外探針，該探針能夠檢測細胞與小鼠體內(nèi)硫醇水平，在5分鐘即可快速檢測，并且具有較好的穿透性與靈敏度。另外，該方法能被用于觀察生物體內(nèi)硫醇在氧化應激與細胞凋亡等過程中的波動，有助于闡明生物的生理與病理過程。同時，該方法也為研究硫醇相關疾病的病理過程提供了有效的手段。
作者 ：ZY 審校：ZZC
DOI：10.1021/jacs.9b12629
Link：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12629
