CN115057798B - 荧光探针、其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本申请具体涉及一种荧光探针、其制备方法和应用,属于化学生物学技术领域。
背景技术
乳腺癌常被称为“粉红杀手”,由于其发病隐秘,早期无明显的临床症状,往往被发现后,肿瘤的恶性程度已达到中、晚期,对女性危害严重。
目前,乳腺癌主要是通过手术方式进行治疗。进行手术切除的乳腺癌患者常常会切除一些必需的正常乳腺组织,以此来防止隐藏的乳腺癌组织被残留下。尽管如此,仍然还有20%的患者需要进行第二次手术来切除残留的肿瘤组织。这是由于肿瘤细胞很难区分。鉴于此,研究人员一直在努力开发能准确识别肿瘤细胞的技术,以提高手术切除的准确性。Marjory Koller等人提出了一种新型的荧光探针,其有助于寻找出患者体内的微小肿瘤组织,但这种荧光探针的识别准确性仍有待提高(Nature Communications,2018,DOI:10.1038/s41467-018-05727-y)。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种荧光探针、其制备方法和应用,以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的,本申请采用的技术方案包括:
本申请的一个方面提供了一种荧光探针,其具有下式所示结构:
本申请的另一个方面提供了一种荧光探针的制备方法,其包括:
使苯乙酮和丙二腈进行缩合反应,生成2-(1-苯基亚乙基)丙二腈;
使所述2-(1-苯基亚乙基)丙二腈与苯甲醛反应生成查尔酮;
使所述查尔酮与2,4-二硝基氟苯反应生成荧光探针。
进一步的,苯乙酮和丙二腈的摩尔比可以为1∶5~5∶1。
本申请的另一个方面提供了所述荧光探针在制备肿瘤细胞检测试剂中的用途。
本申请的另一个方面提供了所述荧光探针在制备肿瘤治疗药物中的用途。
本申请的另一个方面提供了一种癌细胞成像剂,用于将靶癌细胞成像,其包括所述的荧光探针。
本申请的另一个方面提供了一种用于检测和/或治疗肿瘤的药物,其包括所述的荧光探针。
进一步的,所述药物可以是组合物形式的,其还可以包括药学上可接受的载体或赋形剂。并且,所述药物可以被制备成多种剂型,例如注射剂等,且不限于此。
本申请的另一个方面提供了一种试剂盒,用于检测肿瘤细胞,其包括所述的荧光探针。
在本申请中,所述肿瘤包括乳腺癌。相应的,所述肿瘤细胞包括乳腺癌细胞。
相较于现有技术,本申请提供的一种荧光探针可以检测到乳腺癌MCF-7细胞中的外源性和内源性硫化氢,具有超短响应时间(少于30s)、高灵敏度(可达37nM)、高特异性等优点,特别是能够实现活体水平内源性硫化氢的成像,且其与硫化氢反应之后释放的母核具有良好抗乳腺癌活性,能明显抑制乳腺癌细胞增殖,最终可实现体内外乳腺癌的诊疗一体化,具有重要的临床价值。
附图说明
图1是本申请一实施例中一种荧光探针与硫化氢反应后的荧光光谱图。
图2是本申请一实施例中一种荧光探针与不同浓度的NaHS反应后的荧光响应图谱。
图3是本申请一实施例中一种荧光探针与NaHS反应不同时长后的荧光光谱图。
图4是本申请一实施例中一种荧光探针与NaHS在不同pH值条件下反应后的荧光光谱图。
图5是本申请一实施例中一种荧光探针对不同含硫物质的荧光响应图谱。
图6是本申请一实施例中一种荧光探针对不同离子的荧光响应图谱。
图7是本申请一实施例中一种荧光探针对不同氨基酸的荧光响应图谱。
图8是本申请一实施例中一种荧光探针对细胞存活率的影响测试图谱。
图9是本申请一实施例中在有外源性H2S供体时,一种荧光探针与MCF-7培养后的荧光照片。
图10是本申请一实施例中在无外源性H2S供体时,一种荧光探针与MCF-7培养后的荧光照片。
图11是本申请一实施例中在有抑制剂时,一种荧光探针与MCF-7培养后的荧光照片。
图12是本申请一实施例中不同浓度的荧光探针的抗MCF-7活性柱状图。
图13是本申请一实施例中不同浓度的荧光母核的抗MCF-7活性柱状图。
图14是本申请一实施例中在有外源性H2S供体时,不同浓度的荧光探针的抗MCF-7活性柱状图。
图15a图15b是本申请一实施例中活体水平检测H2S的成像照片。
图16a是本申请一实施例中一种荧光探针在荷瘤小鼠活体检测内源性H2S的荧光成像照片。
图16b是本申请一实施例中一种荧光探针在荷瘤小鼠活体内荧光强度随时间的变化曲线图。
图17是将图15a中的荷瘤小鼠活体解剖后其不同内脏的荧光成像照片。
图18是本申请一实施例中将成瘤小鼠随机分组并治疗14天后的肿瘤组织的对照图。
图19是本申请一实施例中将成瘤小鼠随机分组并治疗14天后解剖器官的对照图。
图20是本申请一实施例中随机分组的成瘤小鼠在给药期间的肿瘤生长曲线图。
图21是本申请一实施例中随机分组的成瘤小鼠在治疗期间的体重变化曲线图。
图22是本申请一实施例中随机分组的成瘤小鼠经治疗后的肿瘤抑制率统计图。
图23是本申请一实施例中随机分组的成瘤小鼠的主要脏器的组织学分析图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本申请,并不局限于所述最佳实施方式,不对本申请的内容和保护范围构成限制,任何人在本申请的启示下或是将本申请与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本申请相同或相近似的产品,均落在本申请的保护范围之内。
如下实施例中未注明具体实验步骤或条件者,按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
本实施例合成了一种以2-(3-(4-羟基苯基)-1-萘-1-基)亚甲苯基丙二腈为母核、以2,4-二硝基氟苯为识别基团的荧光探针,并对其多方面的性质进行了测试,具体如下:
(一)荧光探针的合成
该荧光探针的制备方法包括:
第一步反应,包括:在装有磁子的25ml圆底烧瓶中,将丙二腈(1.2equiv)、醋酸铵(0.5equiv)溶于5.0ml乙醇中80℃回流15min。加入不同取代苯乙酮(1equiv),搅拌5h。TLC跟踪监测反应完成。反应结束后,按不同需求处理反应,柱层析即可得到产物。
第二步反应,包括:在装有磁子的25ml圆底烧瓶中,将第一步产物(1equiv)、4-羟基苯甲醛(1.1equiv)溶于3ml异丙醇中,加入哌啶(0.1equiv),70℃回流6h。TLC跟踪监测反应完成。反应结束后,按不同需求处理反应,柱层析即可得到产物。
第三步反应,包括:在装有磁子的25ml节门反应管中抽换气三次,氩气保护下将第二步产物(1equiv)溶于2ml N,N-二甲基甲酰胺中,加入氢化钠(1.1equiv)室温反应30min,加入2,4-二硝基氟苯(1.2equiv),反应4h。TLC跟踪监测反应完成。反应结束后,用乙酸乙酯萃取三次,有机层用无水Na2SO4干燥,柱层析即可得到产物。以上制备方法中,所有的试剂和溶剂都是预先经过干燥或除水处理的。
该荧光探针为淡黄色粉末,其结构式如下:
其产率为79%、纯度约93%,核磁表征数据如下:1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ8.86(d,J=2.3Hz,1H),8.36(dd,J=9.6,2.7Hz,1H),8.06(d,J=8.2Hz,1H),7.97(d,J=7.8Hz,1H),7.74(d,J=15.6Hz,1H),7.66-7.53(m,6H),7.42(d,J=6.9Hz,1H),7.10(dd,J=8.9,3.4Hz,3H),6.67(d,J=15.1Hz,1H)。13C NMR(100MHz,CDCL3)δ170.6,156.4,154.6,147.0,142.3,133.6,132.2,131.1,130.4,130.3,128.9,128.9,127.7,127.0,126.8,125.2,125.1,124.3,122.2,120.4,119.8,112.5,112.4,85.4.
(二)荧光探针对H2S的检测性能
生命系统中的硫化氢(H2S)气体已被证明为信号传递物质,具有重要的生物学功能,并与人类多种疾病有关。研究表明,乳腺癌中硫化氢高表达,乳腺癌细胞内源性硫化氢的过量产生会促进肿瘤的生长和转移。若该荧光探针能高灵敏度、高选择性的检测硫化氢,则其有望应用于乳腺癌细胞。故而本实施例对该荧光探针的H2S检测性能进行了多方面的测试。
1、荧光探针与NaHS反应的荧光光谱
首先,对该荧光探针与NaHS反应后的荧光进行测定。具体的,是将该荧光探针和NaHS加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值=7.4,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μM,NaHS的浓度为100μM,再对其进行荧光测试。
从图1可知,该荧光探针本身无荧光,与NaHS反应后产生明显的荧光,最大发射波长为585nm;与母核(2-(3-(4-羟基苯基)-1-萘-1-基)亚甲苯基丙二腈)的荧光一致,且强度相当。该荧光探针的荧光强度强,在后续细胞和活体成像方面有明显优势。
该荧光探针发挥其性能的原理可能在于,其分子结构内引入的丙二腈可以良好的屏蔽荧光;查尔酮衍生物连接吸电子基氟元素有更好的生物活性;2,4-二硝基氟苯可屏蔽母核荧光,并可以在DMSO中良好响应,优于噻吩甲酰氯在甲醇中的响应。
2、荧光探针与NaHHS响应的浓度线性关系以及检测限
为了研究该荧光探针是否适用于生物样本中H2S的检测,将不同浓度的NaHS(0-100μM)与荧光探针反应,研究NaHS浓度和该荧光探针荧光强度之间的线性关系。
具体的,将该荧光探针和NaHS加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值=7.4,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μM,NaHS的浓度分别为0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、5、10、20、50、70、100μM,37℃孵育30min后,再对其进行荧光测试。
如图2所示,该荧光探针本身没有荧光;而将不同浓度的NaHS(0-100μM)加入该荧光探针(10μM)中之后,荧光强度随着NaHS浓度的增强而逐渐增强。并且呈现出良好的线性关系。检测限为37nM。上述结果显示该荧光探针具有较好的检测灵敏度,能够对复杂生物体内H2S进行定量检测。
3、荧光探针与NaHS的反应时间
为了研究该荧光探针与NaHS反应时间对其荧光强度的影响,进行了如下实验:将该荧光探针和NaHS加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值=7.4,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μM,NaHS的浓度为100μM,37℃分别孵育0、30s、1min、3min、5min、10min、15min、20min、30min、60min、120min后,再对其进行荧光测试。
如图3所示,随着反应时间的增加,荧光强度逐渐增强,具有良好的线性关系,该荧光探针与NaHS反应的荧光强度在60min达到峰值,2h后仍有较强荧光。
4、pH值对荧光探针与NaHS反应的影响
为了研究pH值是否对荧光探针检测H2S有影响,在不同的pH值下将荧光探针和NaHS进行孵育。
具体的,将该荧光探针和NaHS加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值分别为2、3、5、6、7.4、8,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μm,NaHS的浓度为100μM,37℃孵育30min后,再对其进行荧光测试。
如图4所示,该荧光探针在pH 3.0-5.0的范围内,该荧光探针与H2S基本不发生反应;在pH 6.0-8.0的范围内具有良好的荧光响应。结果表明,该荧光探针适用于在生理条件下(pH值7.4)H2S的定量检测。
5、荧光探针检测NaHS的选择性
由于生物背景的复杂性,该荧光探针需要具有较高的选择性以准确检测H2S。故而进行了下列实验,具体为:
(1)将该荧光探针分别与不同含硫物质加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值为7.4,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μM,Na2S、Cys、GSH、Hcy、S8、S2O3 2-、SO3 2-、SO4 2-、Na2S4、HSO3 -分别为100μM,37℃孵育30min后,再对其进行荧光测试。
(2)将该荧光探针分别与不同离子加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值为7.4,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μM,Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Fe3+、Al3+、ClO-、F-、Br-、I-、SCN-、H2PO4 -、NO3 -、CO3 2-、HCO3 -、NO2 -、O2 -、-OH分别为1mM,37℃孵育30min后,再对其进行荧光测试。
(3)将该荧光探针分别与不同氨基酸加入PBS缓冲液(浓度20mM,pH值为7.4,20%DMSO),使该荧光探针的浓度为10μM,Ser、Pro、Val、Arg、Leu、Gly、Tyr、Glu、Gln、Phe、Met分别为1mM,37℃孵育30min后,再对其进行荧光测试。
如图5所示,该荧光探针与NaHS孵育会产生较强的荧光响应,但与其他活性硫物质(Na2S,Cys,GSH,Hcy,S8,S2O3 2-,SO3 2-,SO4 2-,Na2S4,HSO3 -)均不能引起荧光探针的荧光响应。
如图6-图7所示,其他干扰物质如无机盐离子(Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Zn2+,Fe3+,Fe2+,CO3 2-,HCO3 -,Cl-,Br-,I-,HPO4 2-,H2PO4 -)、活性物质(ClO-,-OH,O2 -,NO2 -,NO3 -)、多种氨基酸(Ser,Pro,Val,Arg,Leu,Gly,Tyr,Glu,Gln,Phe,Met)与荧光探针孵育后测定,均未见荧光响应。
由上述结果可知,该荧光探针可以选择性识别NaHS,不受其他活性物质的干扰。
(三)生物活性评价
1、细胞毒性实验
对该荧光探针的生物安全性进行测试,以保证后续成像实验不会影响细胞的状态。选用正常人肾皮质近曲小管上皮细胞HK-2为实验细胞,采用CCK8法测定毒性。结果如图8所示,不同浓度的荧光探针(0μM,2.5μM,5μM,10μM,20μM,40μM)与HK-2细胞孵育24h后,细胞存活率均在90%左右,荧光探针在0-40μM的范围内不会影响细胞的正常状态。
2、细胞水平H2S荧光成像实验
确定荧光探针不会影响MCF-7细胞的状态后,继续考察了荧光探针是否能够实现H2S的细胞荧光成像。结果如图9所示,该荧光探针(10μM)与MCF-7在37℃培养20min后,给予NaHS 10μM,可以观察到强烈荧光。因为MCF-7细胞内H2S高表达,如图10所示,在不加外源性H2S供体的情况下,该荧光探针(10μM)与细胞在37℃培养20min后,也可观察到明显的荧光。进一步的,还验证了该荧光探针可视化MCF-7细胞中内源性H2S的能力,据文献报道,CSE被认为是H2S生成的主要酶。如图11所示将细胞用DL-炔丙基甘氨酸(PAG,1mM)孵育1h,再与荧光探针(10μM)在37℃孵育20min,荧光强度明显减弱。结果表明,在细胞水平,该荧光探针不仅可以识别外源性H2S,还可以识别内源性H2S,通过抑制剂实验可以证明荧光探针是通过H2S反应产生荧光,说明荧光探针在复杂的细胞环境中可以选择性的识别H2S。
3、细胞活性实验
根据文献报道,乳腺癌细胞中H2S高表达,所以本实施例以细胞内源性H2S作为供体,以乳腺癌MCF-7细胞为实验细胞,进行抗乳腺癌细胞活性测定。结果如图12所示,不同浓度的该荧光探针(5μM,10μM,20μM,40μM,80μM)与MCF-7细胞在37℃孵育24h后,计算抑制率可得细胞活性。为了参考,同样进行了母核的活性测定,结果如图13所示,可以看出结果基本相同。通过共聚焦实验可以看出,在不加入外源性H2S供体的情况下,MCF-7细胞中的内源性H2S已经让荧光探针发光,为了对图12机制做进一步解释,补充了外源性H2S活性实验,先给予NaHS(100μM)孵育细胞1h,1h后观察细胞形态完好(为排除NaHS本身的毒性可能,对NaHS做了毒性实验,用50μM、100μM进行CCK8实验,结果表明NaHS本身基本无毒),然后再给予不同浓度的该荧光探针(5μM,10μM,20μM,40μM,80μM,100μM)孵育24h,结果如图14所示。
活性实验结果表明,在MCF-7细胞的肿瘤微环境中,40μM的该荧光探针活性可以达到70%;补充外源性H2S的活性可以达到83%,说明释放的母核越多,对MCF-7的抑制作用越高;IC50为9.87μM,荧光探针对MCF-7细胞有良好的抑制作用,具有抗乳腺癌活性。
4、活体水平H2S荧光成像实验
本实施例还开展了荧光探针在活体水平(昆明小鼠)检测H2S的成像实验。采用的实验仪器为LB983 Night OWL IILB 983小动物活体成像仪。对照组:小鼠腹腔注射该荧光探针(1mM,100μL)。第二组腹腔注射该荧光探针(1mM,100μL)后,再腹腔注射NaHS(100μM,100μL)。实验结果表明,只注射荧光探针的小鼠几乎未见荧光(图15a)。加入NaHS后有荧光产生(图15b)。说明该荧光探针可以检测活体水平的硫化氢。
5、小鼠乳腺癌移植瘤模型
小鼠选用Balb/c裸鼠,雌性,5-6周龄,体重18-20g。采用细胞悬液法,将MCF-7细胞悬液,在裸鼠右侧近腋窝皮下注射,形成一皮丘,内含0.1ml细胞(1*107个),小鼠移植瘤大小约2cm3时,乳腺癌小鼠移植瘤模型建立成功。
6、荷瘤小鼠活体成像实验
本实施例还进一步研究了荧光探针在活体水平(荷瘤小鼠)检测内源性H2S的成像实验。采用小动物活体成像仪。如图16a所示,在不加外源性H2S供体的情况下,直接瘤内注射该荧光探针(1mM,100μL),即可呈现荧光。成像结果表明(分别在0、2、5、10、30、40、50、60min获取),荧光探针可以与内源性H2S发生反应从而产生荧光,裸鼠移植瘤内部有足够的H2S供荧光探针发光,也佐证了乳腺癌内H2S高表达。对荧光进行量化统计,如图16b所示,随着时间增加,荧光强度逐渐增加,50min左右荧光强度达到峰值,1h后仍有荧光。解剖小鼠,对肿瘤及各器官(心、肝、脾、肺、肾)进行成像拍摄,如图17可以看到肿瘤部位有荧光,其他脏器无明显荧光,荧光探针没有发生扩散。综上所述,该荧光探针具有检测内源性H2S的能力。
(四)荧光探针体内治疗评价
乳腺癌内H2S高表达的环境,是该荧光探针发挥其作用的重要条件,由于H2S在肿瘤中参与的生理机制:H2S可以刺激肿瘤内的血管新生,从而使肿瘤形成和刺激生长,而荧光探针可以消耗瘤内的H2S,抑制血管新生;以及,该荧光探针的母核具备抗MCF-7细胞活性,也是实现治疗的必要条件。因此本实施例还进行了小鼠的体内治疗实验。剂量选择,根据CCK8活性选出40μM为最佳浓度,根据96孔板细胞数和肿瘤细胞数,计算出合适的给药剂量。
将成瘤小鼠随机分组:对照组,治疗组:荧光探针组(125mg/kg)、母核组1(125mg/kg)、母核组2(15mg/kg),48h注射一次,并且进行称重,测量肿瘤大小,14天后结束治疗,解剖小鼠。如表1所示,将荷瘤小鼠分为对照组和治疗组,对其进行不同剂量的治疗;与对照组相比,治疗组明显抑制了肿瘤的生长,荧光探针组(125mg/kg)抑制率达69%、母核组(125mg/kg)抑制率达67%。
表1该荧光探针对MCF-7细胞裸鼠皮下移植瘤的影响(n=5,****p<0.0001)
如图18所示,与对照组相比,荧光探针组和母核组1的肿瘤体积明显缩小,低剂量的母核组2也相对缩小。图19为对照组和治疗组解剖器官对照图,可以看出四组无明显差异,无器官损伤,器官增大等现象,说明荧光探针毒性较低;图20为给药期间小鼠肿瘤生长曲线图,与对照组相比,荧光探针组和母核组1肿瘤明显呈现减小趋势,母核组2相比于对照组生长速度减慢,说明荧光探针对MCF-7裸鼠皮下移植瘤有良好的抑制效果,具有抗癌作用;图21为小鼠体重变化曲线图,结果显示四组小鼠体重均无明显变化;通过计算小鼠解剖后的瘤重,得出抑制率,荧光探针组为69%,母核组1为67%,母核组2为39%(参阅图22),有较好的抑瘤率。如图23所示,通过HE染色对三组的心、肝、脾、肺、肾等主要脏器进行组织学分析,各组均未见明显的病理改变和明显的脏器病变,表明荧光探针对机体本身无明显毒性。对照组HE染色肿瘤切片中的细胞结构完整,组织致密;荧光探针组和母核组1由于核固缩、坏死或凋亡,肿瘤组织中到处可见严重的细胞损伤,组织稀疏。综上所述,该荧光探针对裸鼠皮下移植瘤有明显抑制作用,达到了治疗效果。
综上所述,本实施例提供了一种能够检测细胞水平、活体水平内源性H2S的荧光探针,并且对乳腺癌具有治疗效果,这能够成为乳腺癌在生物体内诊断和治疗一体的新型检测方法,对于乳腺癌的诊疗一体化研究具有重要意义。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。
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CN107216270A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-09-29 | 南京微瑞莱电子科技有限公司 | 一种检测硫化氢高选择性反应型荧光探针的应用 |
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Non-Patent Citations (3)
Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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