CN111100119B - 一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针及其合成方法和应用 - Google Patents

一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针及其合成方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针及其制备方法和应用其结构式如Ⅰ式所示:
Figure DDA0002336200190000011
其中:R代表氢和疏水烷基链中的一种。本发明的荧光探针为小分子荧光探针,合成简单,操作简便;本发明中荧光探针对LH具有较高的选择性,能够避免高铁血红素、蛋白络合亚铁血红素以及金属卟啉衍生物对检测的干扰;本发明中荧光探针对LH具有较高的灵敏度;本发明中荧光探针能够用于活细胞中LH的成像检测;本发明的荧光探针能够对溶血疾病中LH的含量变化进行成像检测。

Description

一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针及 其合成方法和应用
技术领域
本发明属于荧光探针技术领域,涉及一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针及其合成方法和应用。
背景技术
游离亚铁血红素(Labile heme,LH)是血红素蛋白发挥功能的重要单元,是一种生物体内必不可少的分子。同时,它也可以和细胞中的双氧水作用(Fenton反应)产生高活性氧,进而破坏蛋白以及细胞膜结构,引起细胞凋亡。因此,细胞内的LH是受到严格控制的。当前LH的检测手段主要包括放射性标记法、高效液相色谱分析法、紫外吸收分析法和荧光分析法。但是,这些手段都需要复杂的前处理过程,并不适合于活细胞中的应用研究。而且,它们只能用于血红素总量(蛋白络合亚铁血红素、LH以及高铁血红素)的测定,不能对LH进行精准检测。
小分子荧光探针能够有效监测和成像细胞生命活动的相关事件,在过去几十年中,小分子荧光探针已经广泛用于生物目标物的检测。本发明旨在构建了一种LH特异性激活的小分子荧光探针,并将其用于复杂体系中LH的成像检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针及其合成方法和应用。
本发明这种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针,其结构式如Ⅰ式所示:
Figure GDA0003575275520000011
其中:R代表氢和疏水烷基链中的一种。
作为优选,反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针,其结构式如Ⅱ式所示:
Figure GDA0003575275520000021
本发明这种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针的制备方法,包括以下步骤:
将化合物1和三光气加入到双口圆底烧瓶中,惰性气氛保护下注入无水二氯甲烷和无水N,N-二异丙基乙胺,室温搅拌反应;反应完毕后,真空除去溶剂,接着重新注入无水二氯甲烷和无水N,N-二异丙基乙胺;将化学物2溶于无水二氯甲烷,注入到反应瓶中,室温继续搅拌反应;反应完毕后,减压除去溶剂,采用柱层析分离提纯后,得到小分子荧光探针Ⅰ;
合成路线如下:
Figure GDA0003575275520000022
所述的化合物1、三光气和化合物2的摩尔比为1:(2~4):(1.0~1.5);惰性气氛为氮气或氦气气氛;搅拌反应时间为8~24h,继续搅拌反应时间为6~10h;柱层析过程中采用石油醚和二氯甲烷作为洗脱剂;石油醚和二氯甲烷的体积比为1:(1~5)。
所述的小分子荧光探针Ⅰ在体外缓冲溶液中检测LH的应用。
所述的小分子荧光探针Ⅰ在活细胞中检测LH的应用。
所述的小分子荧光探针Ⅰ在溶血模型中检测LH的应用。
本发明合成了一种对LH特异性响应的小分子荧光探针。该探针对LH具有较高的灵敏度和选择性,能够区分LH和高铁血红素、蛋白络合亚铁血红素以及金属卟啉衍生物,解决了目前检测手段特异性差的问题。而且,该探针能够检测到细胞内源性LH的含量变化,解决了传统检测方法无法实现活细胞内LH检测的难题。此外,该探针能够用于小鼠溶血模型中LH的检测,为研究LH在相关疾病中的重要作用提供了有用的分子工具。
本发明与现有技术相比,具有的有益技术效果为:
1)本发明的荧光探针为小分子荧光探针,合成简单,操作简便;2)本发明中荧光探针对LH具有较高的选择性,能够避免高铁血红素、蛋白络合亚铁血红素以及金属卟啉衍生物对检测的干扰;3)本发明中荧光探针对LH具有较高的灵敏度;4)本发明中荧光探针能够用于活细胞中LH的成像检测;5)本发明的荧光探针能够对溶血疾病中LH的含量变化进行成像检测。
附图说明
图1为实施例2中荧光探针HNG的荧光发射光谱随着LH浓度增加的变化曲线;
图2为实施例2中荧光探针HNG与低浓度LH的响应曲线。
图3为实施例3中荧光探针HNG对高铁血红素、金属卟啉、血红蛋白、肌红蛋白和过氧化物酶以及亚铁离子的响应情况;(a)探针HNG对不同浓度的高铁血红素和金属卟啉的响应情况;(b)探针HNG对不同浓度的血红蛋白、肌红蛋白和过氧化物酶的响应情况;(c)探针HNG在不同的反应时间对亚铁粒子和LH的响应情况;(d)响应原理图。
图4为所述荧光探针对活细胞内源性LH的共聚焦成像图片;(a)细胞共聚焦图片;(b)测得LH的荧光强度图片。
图5为所述荧光探针对溶血过程中小鼠肝部荧光成像;(a)肝组织成像图片;(b)肝组织切片双光子共聚焦成像图片;(c)肝组织荧光柱状图;(d)溶血模型中肝组织HE染色图片;(e)溶血模型中肝组织成像图片;(f)溶血模型中肝组织切片双光子共聚焦成像图片;(g)溶血模型中肝组织荧光柱状图
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法,所述原料如无说明均能从公开商业途径获得。
实施例1小分子反应型LH探针HNG的合成
将NG(0.28g,1.32mmol)和三光气(0.89g,3.00mmol)加入到25mL圆底烧瓶中,氮气保护下注入15mL无水二氯甲烷和0.5mL无水N,N-二异丙基乙胺,反应在室温下过夜;真空除去溶剂,重新注入10mL无水二氯甲烷和0.5mL无水N,N-二异丙基乙胺;将化合物2(1.58mmol)溶于5mL无水二氯甲烷中,注入反应瓶中,室温下反应8h;减压除去溶剂,所得固态样采用柱层析分离提纯(洗脱剂为体积比为1:1石油醚和二氯甲烷)得到淡黄色产物即为小分子荧光探针HNG(0.20g,30%)。
合成路线如下:
Figure GDA0003575275520000041
HNG的质谱及核磁表征:
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ8.50(d,J=7.1Hz,1H),8.45(d,J=8.1Hz,1H),8.23(d,J=8.1Hz,1H),8.11(d,J=8.4Hz,1H),7.64(t,J=7.8Hz,1H),7.48(s,1H),4.88(m,1H),3.45(s,3H),2.10-1.54(m,22H).
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ164.38,163.86,152.42,139.15,132.51,131.19,128.71,126.47,126.06,123.17,122.82,117.48,116.70,111.83,108.47,77.38,77.06,76.74,72.66,39.92,36.68,36.32,34.78,34.72,33.73,30.50,26.97,26.83,26.40,19.68.
HRMS(ESI)m/z calcd for C30H32N2O7[M-H],531.2131;Found,531.2157
核磁结果与合成路线中HNG的结构式完全符合。
实施例2 HNG探针在试管里对LH的检测
将实施例1制备的HNG探针配成1mM的DMSO储备溶液,于-20℃下保存。LH由高铁血红素在抗坏血酸钠还原作用下获得。检测体系为PBS缓冲溶液(10mM,pH 7.4,含10%的DMSO)。将HNG探针与LH的反应体系在37℃下摇荡60分钟,然后测量其荧光发射光谱。设置荧光仪的激发波长为440nm,发射波长接收范围为460-700nm。其结果如图1和图2所示,从图1可以看出,HNG探针对LH有很好的响应有很好的响应;从图2可以看出,HNG探针对低浓度的LH(0~500nM)也有很好的响应。
实施例3 HNG探针与LH、亚铁离子、高铁血红素、血红蛋白以及金属卟啉衍生物的响应情况
高铁血红素(Hemin)以及金属卟啉衍生物ZnPP的检测体系为PBS缓冲溶液(浓度为0.1、0.5、1.0和2.0uM,pH 7.4,含10%的DMSO)。将实施例1制备的HNG探针与上述不同浓度的高铁血红素或ZnPP在37℃下孵育1h,然后对每个样品进行荧光光谱测定。其结果如图3a所示,从图3a可知HNG对高铁血红素和ZnPP都不响应。
选择血红蛋白(Hb)、肌红蛋白(Mb)和过氧化物酶(Pa)为研究对象,考察HNG探针对血红蛋白的响应情况。将HNG探针与不同浓度(100、200M)的血红蛋白、肌红蛋白和过氧化物酶在37℃下孵育1h,然后对每个样品进行荧光光谱测定,其结果如图3b所示,从图3b中可以看出,探针HNG对血红蛋白、肌红蛋白(Mb)、过氧化物酶均不响应。
亚铁离子和LH的检测体系为HEPES缓冲溶液(浓度为50mM,pH 7.4,10%DMSO)。将HNG探针与20M亚铁离子以及2MLH在37℃下每隔若干分钟测量一次荧光发射光谱。然后以最大发射峰的强度为纵坐标,反应时间为横坐标作图,得到如图3c所示的柱状图,从图中可以看出,所述HNG探针对亚铁离子的响应很差。
本实施例中测试时荧光仪的激发波长为440nm,发射波长接收范围为460-700nm。
实施例4 HNG探针对活细胞染色成像实验
提前将HepG2细胞接种在光学培养皿中,每个皿中接种4万个细胞,孵育24h,然后吸去原有的培养基(DMEM,含5%FBS和10%双抗),加入新鲜培基。在两个光学培养皿中分别加入0.5mM LH合成抑制剂SA和4mM LH合成促进剂5-ALA,并分别在培养箱中孵育24h和12h,然后加入2M探针HNG,继续孵育1h,用激光共聚焦显微镜检测其荧光信号。结果如图4a和4b所示,从图4可以看出,含有合成抑制剂SA的测得荧光强度最弱,含有合成促进剂5-ALA荧光强度最强,空白对照的荧光强度居中,说明本发明中的荧光探针HNG可以测试活细胞中LH的浓度。
实施例5 HNG探针在溶血模型中的应用研究
采用小鼠腹腔注射不同剂量或在不同时间注射相同剂量的新鲜苯肼溶液来构建不同程度的溶血模型。采用尾静脉注射(50L,100M)探针HNG,并孵育2h。然后将小鼠处死,取出肝脏,进行荧光成像。激发为465nM,发射为GFP通道。图5a-c分别呈现了溶血和正常小鼠肝部背景荧光以及探针在这两种小鼠中的荧光响应情况。通过HE染色,我们对溶血过程中肝部受损情况进行了评估(图5d)。从图5e中可以看出,不同溶血程度的小鼠肝部荧光强度不同。利用双光子组织成像,上述荧光变化也得到了证实(图5f)。以上实验结果表明HNG探针能够用于监测不同程度的溶血疾病。

Claims (9)

1.一种反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针,其特征在于,其结构式如Ⅰ式所示:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中:R代表氢和疏水烷基链中的一种。
2.根据权利要求1所述的反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针,其特征在于,其结构式如Ⅱ式所示:
Figure 664044DEST_PATH_IMAGE002
3.根据权利要求1所述的反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针的制备方法,包括以下步骤:
将化合物1和三光气加入到双口圆底烧瓶中,惰性气氛保护下注入无水二氯甲烷和无水N,N-二异丙基乙胺,室温搅拌反应;反应完毕后,真空除去溶剂,接着重新注入无水二氯甲烷和无水N,N-二异丙基乙胺;将化学物2溶于无水二氯甲烷,注入到反应瓶中,室温继续搅拌反应;反应完毕后,减压除去溶剂,采用柱层析分离提纯后,得到小分子荧光探针Ⅰ;
合成路线如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE003
4.根据权利要求3所述的反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的化合物1、三光气和化合物2的摩尔比为1:(2~4):(1.0~1.5)。
5.根据权利要求3所述的反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的惰性气氛为氮气或氦气气氛;搅拌反应时间为8~24h,继续搅拌反应时间为6~10h。
6.根据权利要求3所述的反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的柱层析过程中采用石油醚和二氯甲烷作为洗脱剂;石油醚和二氯甲烷的体积比为1:(1~5)。
7.一种根据权利要求1或2中的所述反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针在体外缓冲溶液中检测游离亚铁血红素的应用。
8.一种根据权利要求1或2中的所述反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针在活细胞中检测游离亚铁血红素的应用。
9.一种根据权利要求1或2中的所述反应型游离亚铁血红素特异性响应的小分子荧光探针在溶血模型中检测游离亚铁血红素的应用。
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