用于次氯酸和粘度的双响应线粒体靶向荧光探针:在肝损伤诊断与环境监测中的应用

《Bioorganic Chemistry》:Dual-response mitochondria-targeted fluorescent probe for Hypochlorous acid and viscosity: Applications in liver injury diagnosis and environmental monitoring

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月01日 来源:Bioorganic Chemistry 5.1

编辑推荐:

   摘要次氯酸 (HClO) 广泛应用于消毒,但对环境安全和人类健康构成严重威胁,而异常的细胞微环境粘度与氧化应激介导的肝脏发病机制密切相关。在此,合理构建了一种线粒体靶向、双通道近红外荧光探针 TPTY-Q-HClO,用于同时且选择性地检测 HClO 和粘度。该探针采用二甲基硫

  

摘要

次氯酸 (HClO) 广泛应用于消毒,但对环境安全和人类健康构成严重威胁,而异常的细胞微环境粘度与氧化应激介导的肝脏发病机制密切相关。在此,合理构建了一种线粒体靶向、双通道近红外荧光探针 TPTY-Q-HClO,用于同时且选择性地检测 HClO 和粘度。该探针采用二甲基硫代氨基甲酸酯作为 HClO 特异性识别位点,季铵化喹啉基团用于线粒体靶向,粘度响应由扭曲分子内电荷转移 (TICT) 机制控制。它对 HClO 表现出优异的灵敏度,检测限为 16.1 nM,具有出色的抗干扰能力和 1.50 至 474 cP 的有利线性粘度响应。该探针能够实现药物性肝损伤 (DILI) 和非酒精性脂肪肝疾病 (NAFLD) 模型中 HClO 过量产生和微环境粘度升高的实时可视化,建立了 HClO 介导的氧化应激与肝损伤之间的直接关联。此外,开发了便携式试纸条用于环境水和乳制品中 HClO 残留的现场快速筛查,实现了令人满意的回收率 (94.70% 至 105.84%)。该探针还成功应用于植物组织中 HClO 的原位成像。这项工作为环境危害监测、食品安全筛查、植物生理评估和肝脏疾病发病机制研究提供了一个稳健、多用途的工具,在环境健康和生物医学诊断领域具有广阔的应用前景。

引言

次氯酸 (HClO) 被广泛用作广谱消毒剂,应用于饮用水净化、废水处理、食品保鲜和公共卫生消毒,在流行病预防和环境修复中发挥着不可或缺的作用 [1], [2], [3], [4], [5]。然而,氯基消毒剂的过度使用和不适当排放导致水生环境、土壤和食品基质中残留 HClO 过量 [6]。过量的 HClO 不仅破坏生态稳定性,还与天然有机物反应生成致癌和致突变的消毒副产物,从而通过食物链和直接暴露对环境安全和人类健康构成重大危害 [7], [8], [9]。
在生物系统中,HClO 是由髓过氧化物酶 (MPO) 催化产生的关键活性氧 (ROS) [10], [11], [12]。虽然生理性 HClO 有助于免疫防御,但异常升高的 HClO 会引发严重的氧化应激,导致脂质、蛋白质和核酸不可逆损伤,并驱动慢性炎症 [13], [14]。越来越多的证据证实,HClO 介导的氧化应激与多种肝脏疾病的起始和进展密切相关,尤其是药物性肝损伤 (DILI) 和非酒精性脂肪肝疾病 (NAFLD),这些是全球高流行率和公共卫生负担重的急性和慢性肝病 [15], [16], [17]。同时,细胞微环境粘度作为控制物质运输和信号转导的关键生物物理参数,在肝病变中显著失调,并反映线粒体功能障碍 [18], [19], [20]。HClO 过量产生和粘度升高的共发生是氧化应激相关肝损伤的标志 [21],然而用于同时、原位和实时监测这两个相关指标的工具仍然稀缺。
HClO 的常规检测方法存在操作繁琐、生物相容性差以及无法实现体内可视化的问题 [22]。虽然荧光探针已成为危害监测和生物成像的强大工具,但大多数现有的 HClO 或粘度探针仅限于单分析物检测、发射波长较短、细胞器靶向效果不理想以及应用场景狭窄 [23], [24], [25]。这种单参数探针无法捕获病理过程中化学信号与生物物理线索之间的交互作用,极大地限制了它们在综合环境和生物医学研究中的实用性 [26], [27]。
在此背景下,我们合理设计并合成了一种线粒体靶向、双通道、双响应近红外荧光探针 TPTY-Q-HClO,用于同步检测 HClO 和微环境粘度。该探针使用二甲基硫代氨基甲酸酯作为 HClO 特异性识别单元,季铵化喹啉基团用于线粒体靶向,并采用 TICT 机制进行粘度传感。它显示出优异的灵敏度 (LOD = 16.1 nM)、卓越的选择性以及宽线性粘度响应 (1.50–474 cP)。该探针成功应用于 DILI 和 NAFLD 模型中 HClO 和粘度的原位成像,揭示了 HClO 介导的氧化应激与肝损伤之间的时空相关性。此外,制备了便携式试纸条,用于现场快速筛查环境水和乳制品中的 HClO 残留,具有高精度。该探针还验证了其在植物组织中进行 HClO 成像以评估氧化损伤的能力。这项工作为有害物质监测、食品安全评估、植物生理研究和氧化应激相关肝脏疾病研究提供了一个多用途且可靠的平台,满足了危险材料和环境健康领域对多场景检测工具的迫切需求。

章节片段

探针化合物 TPTY-Q-HClO 的合成

将荧光团 TPTY-Q (0.4 mmol, 150.0 mg) 和中间体 3 (0.8 mmol, 218.4 mg) 完全溶解于 8.0 mL 乙腈中,随后加入 40.0 μL 哌啶。将混合物加热至 82 °C 并回流 6 小时。反应完成后,将体系冷却至室温,并在减压下除去溶剂。粗产物通过硅胶柱层析纯化,以二氯甲烷/甲醇 (5:1, v/v) 作为洗脱剂,得到

对 HClO 的光谱响应行为

首先评估了 TPTY-Q-HClO 对 HClO 的光学响应特性和传感性能,体系为 PBS 缓冲液 (20.0 mM, 30% DMSO, pH 7.4)。如图 1A 所示,未反应的探针显示出中心波长为 550 nm 的明显吸收带。随着 HClO 的逐渐加入,该吸收峰逐渐下降,同时在 410 nm 处出现了一个新的特征吸收带并显著增强,表明 HClO 触发了探针的特定结构转变

结论

在本研究中,成功设计、合成并全面表征了一种新型双通道双响应近红外 (NIR) 荧光探针 TPTY-Q-HClO。该探针集成了多种优异特性,包括对 HClO 的高选择性、敏感的粘度响应性、优异的线粒体靶向能力和低细胞毒性。值得注意的是,TPTY-Q-HClO 在体外实现了 HClO 和微环境粘度的准确双参数检测

CRediT 作者贡献声明

Peng Hou: 撰写 - 初稿,验证,形式分析,数据整理,概念化。Qi Zhang: 资源,方法论,调查。Junqiang Liu: 软件,方法论,调查。Haoqing Ren: 资源,数据整理。Pengfei Qi: 验证,方法论。Huiling Hou: 方法论,调查。Song Chen: 撰写 - 审查与编辑,监督,项目管理,调查,资金获取。

未引用参考文献

[32]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了中国黑龙江省自然科学基金 (编号:PL2025B036);齐齐哈尔医学科学院基金 (编号:QMSI2024Z-15);齐齐哈尔医学院主导特色学科建设项目的资助 (QYZDXK-008)。
Peng Hou|Qi Zhang|Junqiang Liu|Haoqing Ren|Pengfei Qi|Huiling Hou|Song Chen齐齐哈尔医学院药学院,中国黑龙江齐齐哈尔 161006
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号