山西大学阴彩霞Chem. Soc. Rev.综述: 用于选择性靶向、多分析物检测与成像的功能性合成探针

【背景介绍】

荧光探针作为一种强大的“侦查”工具，它彻底改变了我们检测和监测生物活性分子的能力。在过去的半个世纪里，成千上万种基于功能化有机小分子染料、荧光蛋白和纳米粒子的荧光探针已经被开发出来。其中许多方法还能够实时、高灵敏度、选择性和重现性地测定生物和环境中的分子、离子等。与传统的单结合位点探针以及特定分析物结合的设计不同，具有多个相互作用位点的探针或具有促进对目标一种或多种分析物串联反应的单位点探针，其被广泛用于解决结构相似的化合物和复杂基质中存在选择性靶向的固有挑战，以及如活性硫，活性氧，核苷酸和酶等分析物之间的体内相互作用或串扰的可视化。

【成果简介】

最近，Chem. Soc. Rev.在线刊登了山西大学阴彩霞教授和波特兰州立大学Robert M. Strongin教授等总结的用于选择性靶向、多分析物检测与成像的功能性合成探针研究进展的综述。题目是“Functional synthetic probes for selective targeting and multi-analyte detection and imaging”。在这篇综述中，作者综述了近年来在探针设计、检测机制和生物过程研究等方面的创新发展。讨论了多分析靶向探针的应用前景以及所面临的挑战，提出了作者的一些见解和建议，并期望其能促进多分析靶向荧光探针的不断发展，以便更深入地了解生物生理学过程。

【图文解读】

1、引言

2、通过单反应位点靶向多种分析物的探针

2.1、具有单结合位点的探针用于检测多种硫醇分析物

图一、三种最常用于检测的小分子氨基硫醇
图二、基于巯基取代反应的探针
探针1~4以及1与GSH，Cys和Hcy的反应。而具有给电子R基团的化合物1e和1f是非反应性的。

图三、基于巯基取代反应的探针
图四、通过PET和ESIPT过程用于双通道GSH和Cys/Hcy检测
图五、基于NBD衍生物的GSH和Cys/Hcy多色硫醇探针
图六、用于检测氨基硫醇和H₂S探针
图七、基于硫醇-烯基共轭加成/环化反应的探针
图八、基于pH控制的选择性检测活性硫醇探针
2.2、用于非硫醇分析物检测的单结合位点探针

图九、用于检测ClO^-和ONOO^-等ROS或RNS探针
图十、用于研究ClO^-和氧化应激对SO₂功能影响的探针
3、针对单一分析物的多个反应位点探针

3.1、双反应位点探针用于检测H₂S

图十一、具有两个亲电位点用于选择性检测H₂S的探针
图十二、两可亲电的H₂S探针
图十三、两可亲电的H₂S探针
3.2、具有多个结合位点的探针用于检测ATP

图十四、结构相似的生物磷酸盐化合物
图十五、双结合位点探针用于ATP检测
图十六、基于π-π相互作用、结合荷电氢键选择性ATP探针
图十七、多个结合位点探针用于细胞内ATP成像
图像显示KCN抑制线粒体ATP合成（A），喜树碱诱导细胞凋亡时ATP水平升高（B）

图十八、ATP激活的FRET共轭聚合物探针
图十九、溶酶体ATP检测探针及其在膜融合过程可视化中的应用
（a~b）溶酶体的双光子活细胞图像，经历（a）“亲吻并运行”和（b）“完全崩解融合”过程；

（c）（a）中两种溶酶体比值的变化；

（d）两种溶酶体开始和最后10秒平均比值的比较；

（e）（a）中两种溶酶体比值的变化；

（f）融合前后溶酶体平均比值的比较。

3.3、双反应位点探针用于检测硫醇、聚硫化物、pH和去甲肾上腺素（NE）

图二十、双结合位点的GSH探针
图二十一、双反应位点的Cys选择性探针
图二十二、双反应位点Cys靶向探针比相应的单反应位点对照探针更具有选择性
图二十三、双反应位点H₂S_n探针
图二十四、双反应位点pH探针
图二十五、用于小鼠脑组织去甲肾上腺素的检测和标记探针
4、具有多个反应位点针对多个分析物检测的探针

4.1、具有多个反应位点的硫醇检测探针

图二十六、多反应位点硫醇探针及其与硫醇的反应
图二十七、双反应位点硫醇探针
图二十八、用于检测GSH和Cys的双反应位点探针
图二十九、双反应位点探针用于三通道硫醇成像
图三十、Cys代谢探针
图三十一、用于Cys分解代谢成像的探针
4.2、多反应位点探针用于检测其他硫衍生物

图三十二、用于H₂S_n和H₂S成像的探针
将HeLa细胞与探针孵育，用（a、e）无添加物处理；（b、f）Na₂S；（c、g）Na₂S和NaClO；（d、h）Na₂S₂处理后的细胞不同通道荧光成像。

图三十三、用于GSH和H₂S成像的探针
图三十四、用于GSH和H₂S_n成像的探针
图三十五、可实现多色检测的硫醇和H₂S探针
4.3、多反应位点探针用于检测ROS、H₂S和RNS

图三十六、H₂O₂和NO探针
图三十七、双反应位点探针用于体内ROS和H₂S的检测和监测抗抑郁药物诱导的HClO和H₂S含量升高
（a~j）（a、f）PBS缓冲液处理的控制组；（b、g）氟西汀处理；（c、h）度洛西汀；（d、i）氟西汀和度洛西汀先后处理；（e、j）NAC和氟西汀先后处理的细胞成像；

（k~l）（a~e）和（f~j）各组的相对荧光强度比较

图三十八、双反应位点探针用于HeLa细胞和斑马鱼的HClO和OH-检测及其双通道成像
图三十九、用于线粒体粘度和H2S或H2O2成像荧光探针
4.4、具有多个反应位点的探针用于酶和其他目标检测

图四十、通过不同荧光反应检测β-D糖苷酶和磷酸二酯酶I活性的多反应位点探针

图四十一、多反应位点探针同时检测MMP-2和caspase-3
图四十二、基于糜蛋白酶和胰蛋白酶同时检测的多反应位点荧光探针
图四十三、检测四种癌相关酶活性的纳米探针
图四十四、同时检测ATP和硝基还原酶活性的荧光探针
图四十五、检测光气和神经毒剂模型化合物DCP的探针
5、总结与展望

在这篇综述中，作者总结了多分析靶向合成探针的最新研究进展，这些快速发展的检测技术使得高选择性地检测特定分析物以及同时检测多个分析物的功能探针成为可能。作者认为，多分析物靶向探针最大的优势在于其能够促进靶标之间相互作用的可视化，这解决了探针在检测多种分析物时所面临的诸如探针之间的潜在干扰，更大的侵入性效应和潜在定位和代谢差异等关键问题。尽管这一类探针取得了很大的进展，但是作者仍指出了其不足之处——包括需要更具体的检测机制、用于体内成像的近红外荧光团探针开发、更有效的分子结构策略以及针对更广泛的生物分子和生理过程等等。最后，作者期望这些总结和建议有助于功能化合成探针的发展，从而进一步推动生物和生物医学科学的发展。

文献链接： Functional synthetic probes for selective targeting and multi-analyte detection and imaging（Chem. Soc. Rev. 2019, DOI: 10.1039/c8cs01006d）

本文由我亦是行人编译整理。

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