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化学发光H2O2探针用于实时活体成像

作者：X-MOL 2020-06-07

氧气代谢过程中的不完全还原，会导致活性氧成分（ROS）的产生，它们与人体的健康与疾病息息相关。其中，过氧化氢（H₂O₂）分子能够跨越细胞膜，是一种重要的氧化还原信号传导调控分子。它能够刺激细胞分化、激活免疫系统、促进损伤修复机制。近期研究表明高剂量维生素C能促进肿瘤细胞内H₂O₂的产生，从而激化这些肿瘤细胞，使其对放疗更加敏感；而在治疗脑中风病人时，消除因缺血再灌注而刺激产生的H₂O₂，有望改善病人预后。因此H₂O₂的活体实时监测，能够有力推进肿瘤、中风等重大疾病的研究进展。

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近20年来，科学家们开发了多种H₂O₂荧光探针，用于细胞成像、组织切片成像，乃至透明斑马鱼活体成像。然而，荧光探针需要激光激发才能成像，激光的使用会造成不可避免的背景自体荧光和表皮散射，因此在大鼠模型成像中受到很多限制。然而，化学发光与生物发光能够自行释放光子，无须激光激发即可成像。过去的H₂O₂活体成像化学/生物发光探针主要分为两类：a）过氧草酸酯/染料分子系统（荧光棒的发光原理）；b）荧光素/荧光酶系统（萤火虫的发光原理）。然而，前者需要构建精巧但复杂的纳米发光系统，后者需要荧光酶、ATP、镁离子和氧气才能发光。活体实时H₂O₂成像仍是一大挑战。

香港大学杨丹（点击查看介绍）课题组近年来开发了一系列新型荧光探针，包括HKSOX (J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 6837)、HKPerox (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10173)、HKOCl (Chem. Sci., 2016, 7, 2094)、HKOH (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 12873) 和HKGreen (J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11728) / HKYellow (Chem. Sci., 2016, 7, 5407) 系列分子探针，分别用于高选择性、高灵敏度检测O₂^•-、H₂O₂、HOCl、•OH及ONOO⁻，并使用这些探针深入研究氧化还原生物学的分子基础 (Annu. Rev. Biochem., 2019, 88, 605)。近日，杨丹课题组与特拉维夫大学Shabat课题组合作，将H₂O₂特异性响应基团嫁接到二氧杂环丁烷发光团上，开发了高灵敏、高亮度的H₂O₂新型化学发光探针H₂O₂-CL-510。该探针集识别基团、发光基团与发光能量存储于一体：生理浓度的H₂O₂即可直接触发分子识别，无须激光即可释放光子，亮度在3分钟内提升430倍。作者进一步将H₂O₂-CL-510成功应用于细胞成像与动物活体成像，为生物医药研究提供了有力的分子工具。

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之前，中国科学家发现三氧化二砷（砒霜）能够有效治疗急性早幼粒细胞白血病，其作用机制可能是通过砒霜诱导ROS产生。作者将H₂O₂-CL-510用于96孔板检测与成像，证实了砒霜促进细胞内H₂O₂爆发，并且能够快速评估砒霜的有效作用浓度。该方法有望提供一种高通量筛选技术，探索基于ROS调控的白血病新药物。作者还将H₂O₂-CL-510应用于活体大鼠脑部缺血再灌注过程的即时成像，证实该损伤过程中产生了大量的H₂O₂。这些信号分子有可能引发进一步的炎症反应与细胞凋亡，给病人带来伤害。

相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition，受到国家自然科学基金中以合作重点项目（NSFC21961142011）的大力资助。香港研究资助局卓越研究领域项目(AoE/P-705/16)对ROS荧光探针提供了前期资助。中以合作课题组将继续结合双方研究特长，开发更多的新型化学发光分子探针以探究生命过程中的氧化应激与信号传导过程。香港大学晨兴基金化学生物学讲席教授杨丹和特拉维夫大学Emerico Letay 化学过程讲席教授Doron Shabat为文章共同通讯作者，叶森博士与Nir Hananya博士为该文章的共同第一作者。香港大学中医药学院的沈剑刚教授课题组在大鼠脑部缺血再灌注动物实验方面提供了重要帮助。