使用基于吩噻嗪的荧光探针,在活细胞中对内源性和外源性次氯酸盐进行双通道比率成像

《Dyes and Pigments》:Dual-channel ratiometric imaging of endogenous and exogenous hypochlorite in live cells using a phenothiazine-based fluorescent probe

【字体: 时间:2025年11月26日 来源:Dyes and Pigments 4.2

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  本研究成功开发新型苯并噻唑啉荧光探针BDPT,实现双通道比色法定时监测活细胞中次氯酸根(ClO?),显著提升特异性与灵敏度,可有效区分内源性及外源性ClO?并表征炎症反应中ClO?动态变化,兼具低细胞毒性和高光稳定性。

  
王婷|杨佳学|杨婷|周帆|孙涛|严龙佳|叶毅|刘莉
贵州大学药学院,贵阳,550025,中国

摘要

次氯酸盐(ClO?)在多种生理和病理过程中发挥着关键作用,包括炎症、氧化应激和免疫反应。然而,由于缺乏敏感且具有选择性的探针,实时监测活细胞中的ClO?动态仍然具有挑战性。在此,我们报道了一种新型吩噻嗪类荧光探针BDPT的开发,用于ClO?的双通道比率成像。BDPT对ClO?表现出优异的选择性和敏感性,能够区分活细胞中的内源性和外源性ClO?。以脂多糖(LPS)诱导的HepG2细胞为模型,我们证明了BDPT能够有效可视化炎症反应期间上调的ClO?水平。添加N-乙酰半胱氨酸(NAC)(一种ClO?清除剂)后,证实了BDPT对ClO?检测的特异性。双通道成像显示,LPS处理后的细胞中蓝色通道的荧光显著增强,而红色通道的荧光保持稳定,从而提供了一种用于定量分析的比率方法。此外,BDPT具有极低的细胞毒性和高光稳定性,使其成为研究ClO?相关生物过程的理想工具。这项工作突显了BDPT作为多功能探针在疾病模型中研究ClO?动态的潜力,并加深了我们对其在氧化应激和炎症中作用的理解。

引言

次氯酸及其盐(HOCl/ClO?)是通过过氧化氢与氯离子在中性粒细胞的髓过氧化物酶(MPO)催化下反应生成的。由于它们在免疫防御和氧化损伤中的双重作用,HOCl/ClO?受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。在生理水平上,ClO?在病原体清除和先天免疫中起着至关重要的作用。然而,ClO?的过度积累会导致严重的氧化应激,进而引起蛋白质氧化、脂质过氧化、DNA损伤甚至细胞凋亡[[5], [6], [7]]。ClO?水平的失调与多种疾病的发展和进展有关,包括类风湿性关节炎、动脉粥样硬化、心血管功能障碍、神经退行性疾病和某些癌症[[8], [9], [10]]。因此,开发可靠的分析工具以实时监测复杂生物环境中的ClO?对于基础生物医学研究和临床诊断具有重要意义。
荧光探针由于其高敏感性、实时能力和非侵入性特性,已成为检测和生物成像HOCl/ClO?的强大工具[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。然而,HOCl/ClO?的检测受到活性硫物种(RSS)和活性氧物种(ROS)的干扰。具体来说,RSS的还原性质会导致HOCl/ClO?的消耗,而ROS的氧化性质可能会产生假阳性信号,这两者都会影响HOCl/ClO?荧光探针的准确性和可靠性[[19], [20], [21]]。为了解决这些问题,越来越多地采用了比率荧光探针。这些探针利用双波长发射的强度比进行内部校准,有效校正了外部因素,显著提高了检测准确性[[22], [23], [24], [25]]。这种设计不仅克服了单通道荧光的局限性,还实现了更稳定的定量分析,为在复杂生物环境中监测ClO?提供了可靠工具。
选择合适的荧光团平台对于构建高性能的比率探针至关重要。吩噻嗪是一种含有氮和硫原子的三环杂芳香骨架,因其优异的电子供体能力、可调的氧化还原性质和卓越的光稳定性而脱颖而出[[26], [27], [28], [29], [30], [31]]。值得注意的是,吩噻嗪中的硫原子易于氧化,这使得可以构建具有增强选择性的多位点反应性探针[32,33]。此外,吩噻嗪的共轭结构允许精细调节分子内电荷转移(ICT)性质,从而精确控制光物理行为[[34], [35], [36]]。这些特性使吩噻嗪成为设计针对高活性物种(如ClO?)的比率荧光探针的理想平台。
利用这些优势,我们基于吩噻嗪骨架设计并合成了一种新型的双位点比率荧光探针(BDPT),专门用于选择性检测和活细胞成像ClO?。该探针包含两个潜在的识别位点:吩噻嗪核心中的硫醚结构和4-(二甲基氨基)苯乙烯酮结构中的乙烯基基团。这些位点对ClO?和ROS表现出不同的反应性,从而实现了多步骤识别机制,提高了选择性。如图1所示,BDPT通过两步过程发挥作用。第一步是ClO?介导的乙烯基键断裂,生成醛并破坏供体–π–受体(D–π–A)系统。第二步是硫醚中的硫原子依次氧化,逐渐将其从亚砜转化为砜。值得注意的是,只有当ClO?浓度相对较高时,反应才会达到砜阶段;在本研究的条件下,主要产物是亚砜中间体。这种双位点氧化级联不仅防止了ROS干扰引起的假阳性信号,还协同放大了荧光响应,实现了在复杂生物环境中对ClO?的高选择性和可靠检测。

仪器和材料

本文中使用的化学品均从Energy Chemical (Shanghai) Ltd和Sigma-Aldrich (Shanghai) Co统一购买,直接使用,无需纯化。1使用Bruker (Avance) 400 MHz NMR仪器记录了1H NMR和13C NMR光谱。荧光光谱由Hitachi F-4700荧光光度计(日本)测量。吸收光谱使用UV-5500PC型紫外可见分光光度计(上海METASH Instruments Co., Ltd.)记录。MTT实验

探针合成

目标探针BDPT通过一个简洁的四步序列合成(见图2)。合成始于10H-吩噻嗪与1-碘丙烷的N-烷基化反应,生成10-丙基-10H-吩噻嗪。随后,使用POCl3/DMF作为甲酰化剂,通过Vilsmeier–Haack反应在电子丰富的3位和7位进行区域选择性双甲酰化,得到关键的二醛中间体。然后通过碱催化的醛醇反应

结论

在这项研究中,我们成功开发了一种新型吩噻嗪类荧光探针BDPT,用于活细胞中次氯酸盐(ClO?的双通道比率成像。BDPT表现出高选择性、敏感性和稳定性,能够有效检测和区分生物系统中的内源性和外源性ClO?。以LPS诱导的HepG2细胞为模型,我们证实了该探针能够可视化炎症反应期间上调的ClO?水平

CRediT作者贡献声明

王婷:撰写 – 原始草案,研究,数据管理。杨佳学:可视化,研究。杨婷:研究。周帆:方法学。严龙佳:数据管理。叶毅:软件,资源,项目管理。刘莉:撰写 – 审稿与编辑,监督,软件,资金获取,概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号:32260242)的支持。
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