诺贝尔奖分子新应用：可用于成像的环番化合物
上一篇 / 下一篇 2018-06-21 15:15:56/ 个人分类：科技前沿
基于荧光探针的活细胞成像已经成为了医疗诊断及生物研究中不可或缺的一部分。从发现至今，可用于活细胞荧光成像的探针已经从传统的有机染料、金属配体复合物扩展到了纳米聚合物、纳米颗粒等新型荧光材料。这些探针有较好的成像性能，但是也面临着一些问题，比如探针的水溶性、pH稳定性、光稳定性、细胞膜穿透性及生物相容性等。然而，现有的探针体系并不能同时解决上面的问题，因此，发展新型荧光探针体系迫在眉睫。
近日，美国西北大学教授、艺术与科学院院士、英国皇家科学院院士J. Fraser Stoddart报道了一种新型荧光探针，并且研究了该探针在成像领域的应用。自从30年多年前Stoddart教授报道了一种刚性主体分子——BlueBox后，BlueBox及其衍生物便广泛存在于主客体识别的研究中，并在多环芳烃的萃取、催化、分子机器等领域有着各种应用。但其中没有关于这类化合物在生物成像中的研究，作者推测，这类可修饰的化合物如果具有荧光的特性，那么极有可能被用于生物成像。因此，作者在BlueBox的基础上合成了一种两边不对称的环番衍生物，并成功将其应用于活细胞的荧光成像。该成果以“ExTzBox: A Glowing Cyclophane for Live-Cell Imaging”为题发表于《美国化学会志》（DOI: 10.1021/jacs.8b03066）。
图1. 化合物6·4X的合成过程
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
新型环番衍生物与传统BlueBox相比，不仅具有更大的空腔，而且其本身具备一定的光物理性质，但是其合成方法与传统BlueBox的合成方法基本相同。传统BlueBox的合成采用联吡啶及其衍生物作为两侧的结构单元，与1,4-二溴甲基或者类似物反应形成环状的产物。而本文为了引入荧光特性并保持环番侧边单元长度基本一致，特意引入了噻唑基团。首先，作者通过1,4-二溴苯与4-吡啶甲醛及二硫代草酰的反应分别得到了环番侧边的结构单元1和3；之后，结构单元1与两当量的1,4-二溴甲基苯反应得到半环的中间产物5；最后，5与3通过成环反应得到了环番化合物6，进一步通过阴离子交换得到了水溶性的环番化合物6·4Cl。此外，为了在后续实验中进行对比，作者对结构单元1和3进行了甲基化得到了带有正电荷的2·2Cl和4·2Cl。
图2. a）化合物6·4Cl的稳态吸收及发射光谱；b）化合物6·4Cl的瞬态吸收光谱；c）化合物6·4Cl的循环伏安曲线
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
在得到了化合物6·4Cl后，作者对其光物理及化学性质进行了研究：稳态吸收光谱表明化合物6·4Cl在320 nm及410 nm处有明显的吸收（图2a），这两个峰分别对应其结构中的两个单元（ExBIPY2+和TzBIPY2+）；稳态发射光谱表明化合物6·4Cl的水溶液在470 nm处具有较强的荧光发射（图2a）。此外，化合物6·4Cl的稳定性研究结果表明，其光稳定性与商品化的核酸染料Hoechst 33258相当，而且这种新型染料在强酸性溶液中也能保持稳定。
图3. 化合物2·2Cl、4·2Cl和6·4Cl的细胞毒性测试及生物成像
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
由于化合物6·4Cl具有较好的光稳定性及酸稳定性，并且其在血清中与溶液中的荧光光谱并无太大区别，因此作者推测这类化合物能应用与生物成像。在进行细胞试验前，作者首先测试了其细胞毒性。结果表明，在不同浓度下，化合物6·4Cl都表现出了极低的毒性（图3）。在此之后，作者通过共定位测试发现化合物6·4Cl在进入细胞后主要集中在细胞质，而最后的成像试验表明化合物6·4Cl确实可以进行细胞成像。在相同条件下与荧光结构单元4·2Cl相比，化合物6·4Cl不仅不会在短时间内猝灭，而且其荧光强度高达4·2Cl的6倍。
作者最后表示，虽然试验结果初步表明这种环番化合物可以被用于生物成像，但是如果想获得更好的成像结果，该荧光探针还需要进行多方面的改进。
全部作者：Indranil Roy, Sharan Bobbala, Jiawang Zhou, Minh T. Nguyen, Siva Krishna Mohan Nalluri, Yilei Wu, Daniel P. Ferris, Evan Alexander Scott, Michael R. Wasielewski, and J. Fraser Stoddart.
通讯作者：
J. Fraser Stoddart
J. Fraser Stoddart，1942年出生于英国爱丁堡，1966年从爱丁堡大学获得博士学位，目前为美国西北大学化学教授。与Jean-Pierre Sauvage和Bernard L. Feringa分享了2016年诺贝尔化学奖。
原文链接：https://www.chembeango.com/zixun/23126
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