适用于荧光成像的化学发色团与生物正交反应分析研发进展.doc

适用于荧光成像的化学发色团与生物正交反应研究进展 张艳①, 陈鹏②, 姚祝军①* ① 南京大学化学化工学院, 南京 210093; ② 北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871* 联系人 E-mail: yaoz@nju.edu.cn 2013-02-27收稿, 2013-04-24接受 国家重点基础研究发展计划(2010CB833202)和国家自然科学基金资助 摘要 荧光成像是一种融合多门现代学科的显像方法, 其运用荧光成像探针实现对细胞及动物体内的生物大分子的动态、可视化观察, 为疾病的诊断与治疗提供了有力的方法., 本综述总结了近年来在荧光发色团及生物正交反应方面必威体育精装版的研究进展. 关键词 荧光成像 生物大分子 荧光发色团 生物正交反应 定量生物学 荧光成像是融合了有机化学、光化学、生命科学等学科为一体的显像方法, 其运用光化学原理, 结合现代有机合成技术, 设计和构建荧光功能分子, 建立和发展细胞及动物体内的荧光成像方法, 实现了对生物大分子的原位、实时、动态研究, 为揭示生物机制、诊断与治疗疾病提供了有力的方法; 这一领域凸显了现代多学科交叉的典型特点. 这些研究中, 针对具有重要生物学意义的大分子目标进行合理的标记方案设计并通过实验获得真实可靠的成像信息是十分关键的. 为此, 两个方面的保证是必需的: 第一, 作为 “报告者”的荧光发色团的化学和光学性质在实验体系下足够优秀; 第二, 获得的数据(往往是化学变化导致的光学性质改变)能够真实反映生物大分子定位和定量的变化信息. 为了保证后者不为实验环境等背景因素所干扰, 实验荧光探针(分子装置)和研究目标之间必须能专一性地相互识别. 生物正交反应是指能够在生物体内的生理环境中发生, 与其中的各种反应互不干扰, 不会受到其中各种生物分子的影响, 并且也不会对生物体或目标生物分子造成损害的一类化学反应. 这类化学反应的发展能够使我们在分子尺度上修饰、标记和改造生物大分子, 并由此探索细胞信号传导路径, 揭示疾病发病机理, 了解生命过程机制. 生物正交反应最终将会实现对各种活体生物的生理过程进行调控, 并对人类疾病的预防和治疗产生深远影响. 将荧光发色团与能够发生生物正交反应的官能团相结合, 即可利用生物正交反应实现对细胞内特定靶标分子的荧光标记与成像, 相关的研究为当前化学生物学领域的前沿与热点. 本文将结合实例从荧光发色团与生物正交反应两方面综述必威体育精装版的研究进展. 1 荧光发色团 为了适用于生物成像的需要, 化学发色团通常需要满足以下条件: (1) 荧光分子具有较好的水溶性和生物兼容性; (2) 对细胞具有较好的穿透性, 容易进入细胞; (3) 激发波长和发射波长处于可见或近红外区, 以具有较好的组织穿透性和避免较高的激发能量破坏生物体的生理结构. 目前常用于荧光成像的发色团主要分为3类: (1) 基于有机小分子的发色团如香豆素、荧光素、罗丹明、BODIPY和箐染料等; (2) 基于纳米材料的发色团如量子点、上转换纳米颗粒等; (3) 生物大分子类荧光成像材料, 如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白等. 这些荧光发色团和成像物质的发展为科学家们了解生命体系的复杂过程提供了有效的工具. 本部分将简要介绍这3类荧光标记物的性质、应用及与此相关的必威体育精装版研究工作报道. 1.1 有机小分子发色团 在数码时代彩色胶片市场日渐衰退的背景下, 有机染料在影像技术领域又迎来了新的蓬勃发展. 有机小分子发色团因其结构容易修饰, 因此应用最为广泛. 通过修饰, 基于香豆素、荧光素、罗丹明、BODIPY和箐染料已经发展出了一系列的荧光发色团, 其大多水溶性和生物兼容性较好, 波长和性能通过结构修饰可调, 已经被广泛发展成各种类型的荧光探针并应用到对各种生物分子的成像之中. 如香豆素(coumarin)即是一类存在于植物界中的香豆素类化合物的母核(图 1(a)), 通过修饰其已经被发展成多种针对不同生物分子的荧光探针. 锌离子(Zn2+)是神经系统中的一个重要的金属离子, 其与许多的神经疾病如阿尔茨海默病和癫痫等都密切相关, 因此Komatsu等人[]针对Zn2+设计了一个基于香豆素的比例计量型荧光探针(图 1(b)). 该探针的最大吸收波长处于500 nm左右, 最大发射波长处于550 nm左右, 在与Zn2+结合后, 其发射波长发生变化, 558 nm的发射增加而543 nm的发射降低, 因此可以用于对Zn2+的比例测量; 其也已经被应用到对细胞及海马体组织中的Zn2+检测. 双氧水(H2O2)分子也是生物体中一种重要的生物分子, 与许多重要的生理疾病紧密相关. Du等人[2]则设计了一种以香豆素为基础的激活型荧光探针(图1(c)),