返回
顶部
赣南师范大学吴勇权教授等:靶向细胞器的过氧亚硝酸盐荧光探针研究进展

靶向细胞器的过氧亚硝酸盐荧光探针研究进展


潘淑芬,马晓,蓝庆春,吴勇权图片

赣南师范大学 化学化工学院,江西 赣州 341000


背景介绍

过氧亚硝酸盐(ONOO)是一种重要的活性氮物种(RNS),它在细胞氧化还原稳态中起着至关重要的作用,可以调节细胞内氧化还原平衡并参与信号转导过程。与其他ONOO的检测分析方法相比,荧光检测法具有操作简单、实时性好、灵敏度高等优点。另外,ONOO的生理功能很大程度上依赖于亚细胞器,所以细胞器靶向的ONOO荧光探针具有重要价值,也可以进一步通过细胞荧光成像直观地观察细胞器中ONOO的含量变化。


文章亮点

1、综述ONOO荧光探针按照噻唑离子单元、喹啉离子单元、吡啶离子单元、吲哚离子单元、三苯基膦离子单元等分类总结研究进展

2、综述了ONOO荧光探针聚焦于靶向细胞器线粒体、溶酶体、内质网的荧光成像研究进展

3、综述了ONOO荧光探针用于小鼠疾病模型的荧光成像研究,对这类荧光探针构建具有重要的参考意义


内容介绍

1  线粒体靶向的ONOO荧光探针

在亚细胞水平上,线粒体被形象地称为细胞发电厂,参与多种细胞过程,包括ATP生成、中枢代谢和细胞凋亡[12]。线粒体功能障碍可能来自于ONOO高表达、高粘度等微环境异常,这些被认为是机体疾病产生的可能因素[13-15]。因此,如何准确地跟踪细胞线粒体ONOO的变化对疾病诊断具有重要意义。线粒体膜电位一般为-180~-220 mV,因此具有离域正电荷的染料更容易穿透线粒体膜并随后在其内部积聚[16]。常见的带正电荷线粒体靶向单元有三苯基膦阳离子单元(TPP)以及经过烷基化后的噻唑离子单元、喹啉离子单元、吡啶离子单元、吲哚离子单元等 [17-21],下面分别介绍这5个靶向单元的9个相关荧光探针,探针1~9的结构式见图1

1.1 噻唑离子单元

含噻唑单元的染料具有摩尔消光系数大、光稳定性好、水溶性好、细胞膜渗透性好、易于合成等优点[22]。此外,苯并噻唑半菁部分的吸电子能力会增强相邻双键对强亲电试剂的反应活性,从而加快响应速度并降低探针对ONOO的检出限。

1.2 喹啉离子单元

喹啉是一种具有芳香性质的化合物,具有很强的吸收紫外光和荧光发射的性质。因此,喹啉广泛用于荧光染料、指示剂和生物标记等方面[25]。由于喹啉阳离子带有正电荷,它是一个很好的线粒体靶向单元。

1.3 吡啶离子单元

吡啶阳离子作为线粒体靶向基团具有优越的膜通透性,能使探针在短时间内迅速进入活细胞线粒体中[27]

1.4 吲哚离子单元

吲哚基团具有刚性平面结构,荧光性能良好。且其具有较长的吸收波长和荧光发射波长,常被用于构建检测生物标志物的荧光探针[31,32]

1.5 三苯基膦离子单元

荧光探针在线粒体内积聚是由膜电位驱动的,带有三苯基膦阳离子(TPP)单元的探针可以选择性地聚集在线粒体[35]

2  溶酶体靶向的ONOO荧光探针

溶酶体是细胞中在pH 4.0 ~ 5.5之间的重要酸性细胞器[37]。溶酶体pH值的变化可以反映机体代谢过程和细胞状态[38]。一旦溶酶体pH异常,细胞功能受损,可引起神经退行性、溶酶体贮积障碍等疾病。最近的研究也表明,异常水平的ONOO可诱导溶酶体膜透性(LMP)并导致细胞死亡[39]。所以,开发可以靶向溶酶体的ONOO荧光探针具有重要的现实意义[40]。利用溶酶体内酸性(pH 4.55.5)的生理环境,采用胺类结构的本身为弱碱性小分子探针,能够选择性地在酸性环境中积累,从而达到靶向溶酶体的效果[41]。靶向溶酶体的ONOO荧光探针10~12结构见图9

3  内质网靶向的ONOO荧光探针

内质网是蛋白质合成、加工和运输的主要位点[45-47]。在亚细胞水平上,内质网(ER)是内源性ONOO的直接靶点,氧化过程可能导致内质网功能障碍[48]。另一方面,ONOO可以消耗与ER相关的Ca2+,导致人类血管内皮的ER应激和细胞凋亡[49]。因此,对内质网中ONOO的原位精确检测对深入研究其生物学作用具有重要意义。苯磺酸基结构作为已经报道常用的内质网靶向基团,以下3篇文献介绍了以不同荧光团连接苯磺酸基结构达到靶向内质网的研究。探针13~15的结构式见图12

4  总结和展望

过氧亚硝酸盐(ONOO)在生命过程中具有重要作用,因此其检测具有现实意义。与其他方法相比,荧光探针法表现出更优越的性能。其中,靶向细胞器的ONOO荧光探针更能揭示细胞器中ONOO的生理作用。本文对靶向线粒体、溶酶体、内质网的ONOO荧光探针进行了综述,并讨论了它们的靶向策略、荧光行为及其在细胞及活体荧光成像中的应用。总的来说,靶向细胞器的ONOO荧光探针设计取得了重要的进展,对于许多疾病的预防、诊断以及病理的研究具有十分重要的意义也有助于更好地了解亚细胞器中ONOO水平在生理和病理过程中的影响。

然而,靶向细胞器的ONOO荧光探针的研究仍有进步空间:1)目前,报道的靶向细胞器的ONOO荧光探针,其发射波长只有少部分位于近红外区(> 650 nm),大部分发射在可见光区域,因此需要开发出具有近红外发射靶向细胞器的ONOO荧光探针来扩大其在生物学研究中的应用。2)荧光探针导致特定细胞器的生理状态发生变化,可能会使探针从细胞器中逃逸。因此,可以尝试构建能够结合特定细胞结构(包括但不限于蛋白质、脂质和DNA)的荧光探针将是提供准确定位和更精细研究的有力手段。3)细胞器靶向ONOO荧光探针通常应用于细胞和生物体中,对测试条件中的水含量有一定的要求,目前报道的一些探针难以在纯水或水含量高的条件下进行测试与应用。4)已报道的荧光探针存在荧光量子产率低的问题,因此也可以继续开发高荧光产率的新型荧光母体。

总之,对于ONOO荧光探针的研究还在不断进行优化。未来可以开发出近红外区、定位精准、水溶性好、荧光量子产率高的靶向细胞器ONOO荧光探针。相信这些荧光探针将成为化学家、生物学家和医学家进行疾病诊断和生理病理机制研究的有力分子工具。


引用本文:潘淑芬,马晓,蓝庆春,等.靶向细胞器的过氧亚硝酸盐荧光探针研究进展[J].化学试剂,2024,46510-19.

DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0749