化学所马会民课题组Chem. Sci. 活性氧启动荧光供体用于成像硫化氢的传递
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导读
近日，中科院化学所马会民研究员课题组合成了一种活性氧触发荧光的H2S供体——NAB。该供体与活性氧作用会发生荧光改变，而且最终会产生H2S。这使得该供体不仅能实时检测细胞内部H2S的释放，而且作为具有荧光成像能力的治疗前药的潜力十分巨大。该成果发表在Chemical Science上（DOI:10.1039/C9SC02323B）
图1. ROS触发供体释放H2S示意图（图片来源：Chem. Sci.）
硫化氢是一种重要的气体介质，可介导多种病理生理过程，近年来以硫化氢为基础的供体在心血管损伤、神经损伤和肠道疾病的治疗中得到了广泛的研究。H2S水平的调节被认为具有潜在的治疗价值。然而，由于缺乏调节和监测细胞H2S水平的有效工具，进一步了解H2S的生物学功能仍然是一个巨大的挑战。无机硫化物盐可以释放硫化氢，但是释放过程不可控而且无法进行成像，这就限制了其应用。尽管化学家们已经报道了一些合成的有机H2S供体，但是这些供体释放H2S还缺少有效分析手段。荧光光谱以其强大的时空采样能力和较高的灵敏度而备受关注。H2S供体释放H2S并伴随着荧光信号的改变对复杂生物系统中硫化氢释放的现场实时监测具有重要意义，但这样的供体十分少。
为此，马会民课题组设计了活性氧（ROS）触发荧光的H2S供体（NAB）。 NAB是通过硫代氨基甲酸酯将能与ROS反应的芳基硼酸盐连接到荧光团NAH上构建出来的。NAB自身的荧光非常弱，一旦与ROS反应就会释放出硫化羰，最终生成H2S；释放硫化羰之后，通过自消除反应，生成强荧光物质NAH。在合成出NAB之后，马会民课题组对其与ROS反应的光谱性质进行了研究。NAB的最大吸收在300 nm，与ROS响应后300 nm 吸收急剧减弱，最大吸收出现在346 nm和405 nm，并且出现577 nm的荧光发射。NAB与ROS反应后的荧光和吸收与NAH的荧光和吸收十分相似。这表明NAB与ROS反应后生成了NAH。ESI-MS分析也证实了这一点。NAB对ROS响应荧光随时间的变化表明，NAB可作为可控的H2S供体。此外，作者还研究了温度和pH对NAB与ROS反应的影响，以及其他无机盐和生物活性物质对NAB的影响。
图2. NAB响应机理及光谱性质（图片来源：Chem. Sci.）
为了验证NAB的分解产物在碳酸酐酶的作用下生成H2S，作者使用亚甲基蓝法测定H2S的产生，而产生H2S的标志是出现670 nm的吸收峰。通过该方法确实是观测到了670 nm的吸收峰，并且当碳酸酐酶的活性被抑制时670 nm 的吸收峰减弱。这些结果证明H2S的产生。
证实了H2S的产生之后，作者对H2S在活细胞中释放的荧光成像情况进行了研究。在外源性ROS（H2O2）存在的情况下，随着时间的增长HeLa细胞越来越亮，而且随着H2O2浓度的增加，细胞会更亮，但是在抗氧化剂的存在下，荧光信号会减弱。这些结果证实了ROS触发细胞内NAB荧光信号的能力。
图3. 活细胞中H2S释放成像（图片来源：Chem. Sci.）
外源性ROS会触发NAB的荧光信号，释放H2S，那么内源性的ROS呢？为了评价在活细胞中内源性ROS触发NAB释放H2S的能力，作者选用RAW264.7细胞作为模型进行了研究。RAW264.7细胞在PMA（一种药物）诱导的炎症反应中会产生大量ROS。实验结果表明，用PMA处理细胞后，加入NAB,荧光显著增强。这表明NAB可能在病理ROS水平下释放H2S，并在细胞内原位成像。
图4. 內源性ROS触发H2S释放成像（图片来源：Chem. Sci.）
除此之外，马会民课题组还发现NAB有抗细胞炎症的保护作用。由于PMA诱导的炎症可通过细胞过度氧化应激促进细胞凋亡，H2S已被发现可有效缓解炎症反应。当PMA诱发炎症后，细胞数量减少，然而加入NAB后，细胞数量会逐渐恢复。增大NAB浓度，恢复所需时间会缩短。这些结果表明NAB可以通过清除H2O2从PMA诱导的炎症反应中解救RAW264.7，并且可以作为潜在的治疗前药。
图5. NAB抗PMA诱导的炎症（图片来源：Chem. Sci.）
总结：中科院马会民研究团队合成了首个活性氧触发荧光信号的H2S供体。无论是在体外还是细胞中，该供体都可以释放H2S。不同于早前报道的H2S供体，该供体可以通过荧光信号开关对H2S的释放进行实时监测，并进行细胞成像，此外还具有抗ROS作用。该荧光供体可广泛应用于某些生物系统中H2S的传递和实时监测研究，并具有作为荧光成像能力的治疗前药的潜力。
撰稿人：犟子柳
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