【人物与科研】广州大学史文静课题组 & 中山大学高理钱课题组：meso位C=C修饰的BODIPY高选择性H2O2生物荧光探针

导语

双氧水（H₂O₂）在生物体的氧化应激和信号转导中起着重要作用，其表达水平异常与多种疾病紧密相关，如癌症、糖尿病和阿尔茨海默氏病等。在检测H₂O₂的各种方法中，荧光探针成像是最有效的方法之一。但是，如何开发高选择性、高灵敏度和低背景的荧光探针仍是亟待解决的问题。近年来，氟硼二吡咯（BODIPY）类有机发光染料在荧光成像中的应用引起广泛关注，因其具有从可见到近红外区域的荧光发射波长、荧光量子产率高、稳定性高和毒性低等优点。其中，meso位碳碳双键（C=C）修饰的新颖BODIPY类衍生物引起了广州大学史文静课题组的关注，且此类染料用于H₂O₂检测的研究鲜有报道。基于此，近日，广州大学史文静课题组和中山大学高理钱课题组合作在该研究领域取得了新突破，发现了meso位亚甲基丙二腈修饰的BODIPY对H₂O₂有较好响应效果，并成功阐述响应机理和应用于生物成像。相关成果在线发表于Eur. J. Med. Chem.（226:113828，DOI: 10.1016/j.ejmech.2021.113828）。

史文静博士课题组简介

史文静课题组自成立以来一直从事氟硼二吡咯类（BODIPY）有机发光染料的设计、合成及其在小分子生物荧光探针领域的应用。目前部分成果已在Eur. J. Med. Chem.、J. Mater. Chem. A、Talanta、Dyes and Pigments等国际知名期刊发表。史文静博士发表论文20余篇，其中2篇被选为封面文章；硕士生韦永凤同学是2020年9月加入史文静博士课题组从事科研训练，为该工作做出较大贡献。

史文静博士简介

史文静，广州大学化学化工学院讲师，硕士生导师。2009年本科毕业于中国科学技术大学；2009年至2013年在香港中文大学攻读博士学位，之后跟随香港中文大学化学系Dennis K. P. Ng教授从事博士后研究；2016年就职于广州大学；入选2017年广东省“珠江人才计划”青年拔尖人才项目；主持国家自然科学基金-青年项目及其他省市级基金项目8项。

高理钱副教授课题组简介

高理钱课题组主要研究方向为药物化学、化学生物学、高通量药物筛选和生物材料等交叉学科前沿研究。近些年课题组在Chem. Soc. Rev.、Nano Today、Pharmacology & Therapeutics、J. Med. Chem、Eur. J. Med. Chem、ACS Appl. Mater. Interfaces和Acta Biomaterialia等国际主流期刊发表SCI论文50多篇；申请中国发明/实用新型专利共12项；入选ESI高被引论文3篇；主持国自然面上项目、国自然应急项目、深圳市科创委自由探索项目等多个基金项目；博士生王璇自2019年9月从中国海洋大学保研加入高理钱课题组从事科研训练，为中山大学药学院（深圳）硕博连读研究生。

高理钱副教授简介

高理钱，中山大学药学院（深圳）副教授、博导；2007年毕业于中国科学技术大学，获得硕士学位；2012年在新加坡国立大学获得博士学位；2012-2016分别在香港大学、香港中文大学和新加坡科技局生物工程与纳米技术研究所从事博士后研究，于2016年4月在新加坡科技局生物工程与纳米技术研究所晋升研究科学家；2017年4月聘任为中山大学“百人计划”紧缺型高级人才；同时，获国家卫健委全球卫生人才后备库成员（国家卫健委2019）& 海外高层次留学人才（广东2019）。

前沿科研成果

meso位C=C修饰的BODIPY高选择性H₂O₂生物荧光探针

近年来，在meso位有碳碳双键的BODIPY类染料受到越来越多的关注，已被用作检测硫化氢、粘度、淀粉样斑块检测的荧光探针，但将其应用于H₂O₂检测的荧光探针鲜有报道。作者课题组在研究大量meso位含C=C双键BODIPY的过程中，发现当双键上修饰丙二腈后，该探针（2）在水溶液中能够快速、高效的响应H₂O₂，并进一步的应用于细胞H₂O₂成像（图1）。

图1. 本课题示意图

（来源：Eur. J. Med. Chem.）

作者首先采用荧光光谱的方法研究了BODIPY 2对H₂O₂的选择性。通过实验可以发现：只有加入H₂O₂，该探针在540 nm处产生明显红移而且增强的荧光（图2）；其它的氧化剂及还原剂对该探针没有明显影响。上述实验说明该探针对H₂O₂具有高度选择性，抗干扰较强。

图2. BODIPY 2与各种氧化剂和还原剂共测试的荧光光谱

（来源：Eur. J. Med. Chem.）

然后，作者探索了BODIPY 2对H₂O₂的灵敏度。在低浓度H₂O₂下，BODIPY 2在540 nm处逐渐出现了一个新的荧光峰，而在506 nm处的荧光峰渐渐消失，导致I₅₄₀/I₅₀₆的荧光比值逐渐增加，直到H₂O₂的浓度达到20 μM左右趋于平稳（图3），结果表明，该探针有对H₂O₂具有较好的灵敏度和定量测定能力。

图3. BODIPY 2与不同浓度H₂O₂反应的荧光光谱（来源：Eur. J. Med. Chem.）

有趣的是，作者成功验证了BODIPY 2与H₂O₂的响应机理。通过核磁共振氢谱和高分辨质谱，作者发现BODIPY 2双键上的氢具有较好的解离性能，可以和氘水中的氢交换。当加入H₂O₂，双氧水可以加成到双键上，使其断开，从而使丙二腈对BODIPY的光诱导电子转移（PET）被阻止，发射出较强的绿色荧光。其响应机制和过程如图4所示。

图4. BODIPY 2与H₂O₂反应机理研究

（来源：Eur. J. Med. Chem.）

为了进一步研究BODIPY 2在生物体内的潜在应用，作者将该探针暴露于外源性和内源性H₂O₂，采用共聚焦显微镜进行成像。实验发现：BODIPY 2在细胞荧光非常弱；当加入H₂O₂和PMA后，可以看到较强的荧光（图5）。结果表明BODIPY 2可以成功地应用于细胞内外源性和内源性H₂O₂成像。

图5. BODIPY 2与细胞内外源性与内源性H₂O₂共聚焦成像

（来源：Eur. J. Med. Chem.）

总结：

作者通过研究发现meso位含亚甲基丙二腈的BODIPY染料可以高选择性、高灵敏度检测H₂O₂，实验发现该探针是通过meso位双键与H₂O₂实现检测，且通过核磁和质谱证明了其机理，并进一步成功的应用于细胞内外源性和内源性H₂O₂成像。该工作以“A novel methylenemalononitrile-BODIPY-based fluorescent probe for highly selective detection of hydrogen peroxide in living cells”为题发表在Eur. J. Med. Chem（226:113828, DOI: 10.1016/j.ejmech.2021.113828）上，第一作者为广州大学韦永凤硕士生，中山大学王璇博士生为共同第一作者；通讯作者为广州大学史文静博士和中山大学高理钱副教授；同时也感谢文章中其他合作者的大力支持和帮助（论文作者：Yong-Feng Wei、Xuan Wang、Wen-Jing Shi、Ru Chen、Liyao Zheng、Zi-Zhou Wang、Kun Chen and Liqian Gao）。

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