楊志廣，李運(yùn)林，陳亞紅，郭 雷，張建夫，彭 鵬

(周口師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 周口 466001)

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有機(jī)雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針研究進(jìn)展

楊志廣*，李運(yùn)林，陳亞紅，郭 雷，張建夫，彭 鵬

(周口師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 周口 466001)

線粒體在細(xì)胞的能量代謝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其內(nèi)部環(huán)境的微小變化會(huì)影響細(xì)胞的正常生命活動(dòng)。同時(shí)線粒體內(nèi)許多活性小分子在細(xì)胞的許多生理過(guò)程中也起著關(guān)鍵作用。因此，可視化監(jiān)測(cè)線粒體自身及內(nèi)部微環(huán)境的變化對(duì)于生命現(xiàn)象的研究和疾病的診斷與治療具有非常重要的意義。熒光分析法因具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、選擇性好、實(shí)時(shí)檢測(cè)以及損傷小等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的研究和應(yīng)用。雙光子熒光探針技術(shù)相對(duì)于單光子熒光技術(shù)具有長(zhǎng)波吸收短波發(fā)射、高度的三維空間選擇性、大的穿透深度、避免熒光漂白和光致毒以及降低組織自發(fā)熒光干擾等特點(diǎn)，在生命科學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該文介紹了有機(jī)雙光子吸收基本原理以及有機(jī)雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針的研究現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)有機(jī)線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

線粒體；活性小分子；雙光子；熒光探針；檢測(cè)；綜述

生命體中存在著各種各樣的活性小分子物種，它們?cè)谏w內(nèi)的種類和濃度不盡相同，其生物學(xué)功能也完全不同，而且外界環(huán)境的變化(例如：受到環(huán)境污染或者其它刺激)會(huì)直接改變內(nèi)源性物質(zhì)的分布，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。因此，深入了解這些活性物種的產(chǎn)生、分布及含量的變化等對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞正常的生理功能具有極其重要的科學(xué)意義。線粒體是細(xì)胞中非常重要的一個(gè)動(dòng)態(tài)細(xì)胞器，是細(xì)胞中制造能量的結(jié)構(gòu)，被譽(yù)為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，在細(xì)胞的生命活動(dòng)中扮演著多種重要的角色，如在調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原電位和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)節(jié)細(xì)胞分化與凋亡、基因表達(dá)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)以及控制細(xì)胞周期和生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[1-6]。許多研究表明，線粒體與人的線粒體疾病、心臟功能障礙、動(dòng)脈硬化、阿爾茨海默病、神經(jīng)細(xì)胞死亡、癌癥以及機(jī)體衰老等疾病相關(guān)[7-11]。另外，線粒體內(nèi)許多活性小分子，活性氧、活性氮、還原態(tài)谷胱甘肽(GSH)等也與許多重大疾病相關(guān)，如阿爾茨海默病、帕金森病、神經(jīng)細(xì)胞死亡和癌癥等[12-15]。因此，探索能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)線粒體以及線粒體內(nèi)各種功能性物種進(jìn)行區(qū)域定位與檢測(cè)的分析方法對(duì)于線粒體生命現(xiàn)象的研究和疾病診斷具有十分重要的生物學(xué)意義。

熒光分析法具有簡(jiǎn)單易行、靈敏度高、選擇性好、檢出限低、不破壞樣品和易于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等特點(diǎn)，在生物體內(nèi)各種活性物種的檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，雙光子熒光探針技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、信息科學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用正迅速擴(kuò)展，這是因?yàn)殡p光子熒光探針技術(shù)相對(duì)于單光子熒光探針技術(shù)具有更獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如近紅外光激發(fā)、對(duì)生物樣品穿透深度大、自發(fā)熒光低、光毒性小、對(duì)細(xì)胞和組織損傷小、漂白區(qū)域小、能夠延長(zhǎng)活細(xì)胞和組織的觀測(cè)時(shí)間等[16-18]，為生命科學(xué)的研究提供了更為銳利的工具。本文主要介紹了有機(jī)雙光子吸收基本原理和雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針的研究現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)有機(jī)線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 雙光子吸收基本原理及在生物應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

單光子吸收是指利用紫外或可見光激發(fā)熒光分子時(shí)，只有吸收光子的能量與熒光分子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能帶隙相匹配時(shí)才會(huì)發(fā)生電子躍遷。雙光子吸收現(xiàn)象由G?ppert-Mayer[16]于1931年首次提出，60年代初激光器出現(xiàn)后，Kaiser等[17]利用紅寶石激光器為激發(fā)光源，首先從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了雙光子吸收過(guò)程。雙光子吸收是指物質(zhì)分子在脈沖激光等強(qiáng)光的激發(fā)下，在較短的時(shí)間內(nèi)，同時(shí)或先后吸收兩個(gè)相同或者不同頻率的光子，物質(zhì)分子中的電子由基態(tài)通過(guò)一個(gè)中間虛擬態(tài)(Virtual state)直接吸收兩個(gè)光子躍遷至一個(gè)較高能態(tài)的過(guò)程。雙光子吸收過(guò)程完全不同于單光子吸收過(guò)程，而是熒光團(tuán)與激發(fā)光相互作用的過(guò)程。與單光子吸收相比，雙光子吸收是非線性吸收過(guò)程，屬于三階非線性效應(yīng)的一種；在雙光子吸收過(guò)程中，物質(zhì)分子的吸收強(qiáng)度、電子躍遷幾率與激發(fā)光強(qiáng)度的平方成正比；雙光子吸收發(fā)生在焦點(diǎn)處λ3(λ為激發(fā)波長(zhǎng))的空間范圍內(nèi)，而單光子吸收發(fā)生在整個(gè)聚焦光路范圍內(nèi)。因此，雙光子吸收激發(fā)光穿透作用強(qiáng)，瑞利散射小，具有更高的空間分辨率和選擇性；減少了對(duì)被測(cè)生物標(biāo)本樣品的光致毒性以及對(duì)熒光的光漂白，增加了有效觀測(cè)時(shí)間；長(zhǎng)波吸收短波發(fā)射，波長(zhǎng)處于生物光學(xué)窗口(700～1 100 nm)范圍內(nèi)，有效避免了紫外-可見光損傷，有利于生物樣品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。雙光子技術(shù)在信息、材料、生物熒光識(shí)別、醫(yī)學(xué)熒光診斷等領(lǐng)域正顯示出廣闊的應(yīng)用前景[18-22]。

2 有機(jī)雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針研究現(xiàn)狀

目前用于活細(xì)胞線粒體特異性熒光成像的熒光探針主要有兩種，一種是商品化線粒體熒光探針；另一種是具有與線粒體定位功能的親脂性的陽(yáng)離子基團(tuán)。商品化線粒體熒光探針主要有兩大類[23]：一類是羅丹明類，如羅丹明123(Rh23)、四甲基羅丹明甲酯(TMRM)以及Invitrogen公司開發(fā)的MitoTracker Orange/Red CM系列等；另一類是菁染料，如MitoTracker Green/Red/Deep Red FM系列。三苯基季磷鹽是一種高效的線粒體定位功能的陽(yáng)離子基團(tuán)，具有較強(qiáng)的疏水性，能夠有效穿透疏水性膜，連接在活性小分子熒光團(tuán)上可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞中線粒體內(nèi)活性物質(zhì)的檢測(cè)和熒光成像[24-25]。研究人員將對(duì)細(xì)胞內(nèi)活性小分子或金屬離子具有識(shí)別作用的熒光基團(tuán)與具有線粒體靶向作用的親脂性陽(yáng)離子相連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)線粒體內(nèi)這些物質(zhì)的檢測(cè)與成像。目前報(bào)道的大部分有機(jī)線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針均為單光子熒光探針，雖然這些探針也能用雙光子進(jìn)行激發(fā)，但其雙光子吸收截面小，熒光量子產(chǎn)率較低，還存在背景干擾大、光穩(wěn)定性差、毒性大、選擇性差、斯托克斯(Stokes)位移小等缺點(diǎn)。而對(duì)于有機(jī)雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針的報(bào)道則相對(duì)較少，對(duì)其生物學(xué)機(jī)制的研究尚不夠深入，其研究也剛剛起步。下文就近年來(lái)有機(jī)雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針的研究進(jìn)展作了比較系統(tǒng)的評(píng)述 ,并展望了此類探針未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 有機(jī)線粒體小分子熒光探針

線粒體不僅是細(xì)胞的能量工廠，而且是細(xì)胞生存與死亡的調(diào)控中心、與細(xì)胞凋亡、氧自由基產(chǎn)生、心血管病、神經(jīng)性疾病、機(jī)體衰老、癌癥等疾病密切相關(guān)[26-27]。因此，構(gòu)建性能優(yōu)越，且能全面、準(zhǔn)確檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)線粒體的熒光探針對(duì)于研究線粒體內(nèi)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程具有重要的科學(xué)意義。Zhang等[28]以氟化硼絡(luò)合二吡咯甲川類染料(BODIPY)為母體，開發(fā)了一種不受膜電位干擾的能夠準(zhǔn)確定位線粒體的熒光探針1(圖1),實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)線粒體的單光子熒光成像，是一例非常優(yōu)質(zhì)的線粒體定位染料。Miao等[29]以咔唑?yàn)槟阁w環(huán)結(jié)構(gòu)，吡啶陽(yáng)離子為識(shí)別基團(tuán)，設(shè)計(jì)合成了1對(duì)定位活細(xì)胞內(nèi)線粒體的雙光子熒光探針2和3(圖1)。這對(duì)探針具有較大的雙光子活性吸收截面和Stokes位移、良好的膜透性、較長(zhǎng)的保留時(shí)間、較高的光穩(wěn)定性以及優(yōu)異的復(fù)染相容性等特性，是一類有較好應(yīng)用價(jià)值的雙光子線粒體熒光探針。Dai等[30]以萘二甲酰亞胺為母體環(huán)結(jié)構(gòu)，三苯基季磷鹽陽(yáng)離子為識(shí)別基團(tuán)，設(shè)計(jì)合成了一個(gè)雙光子線粒體熒光探針4(圖1)。該探針透膜性好、選擇性好、對(duì)線粒體極性敏感，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)線粒體的雙光子光子熒光成像，有望發(fā)展成為一種新型的檢測(cè)線粒體微環(huán)境變化的雙光子熒光探針。

圖1 探針1～4的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structures of probes 1～4

2.2 有機(jī)線粒體過(guò)氧化氫(H2O2)小分子熒光探針

H2O2是生物體內(nèi)主要的活性氧之一，在生物學(xué)功能和許多病理生理學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。線粒體產(chǎn)生活性氧會(huì)形成H2O2和過(guò)氧亞硝酸鹽等超氧化物和過(guò)氧化物，體內(nèi)適量水平的H2O2有益于生物正常的生理過(guò)程，然而體內(nèi)過(guò)量的H2O2則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞氧化性損傷、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)性疾病、癌癥等疾病[31-33]。因此，適時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)細(xì)胞線粒體內(nèi)H2O2含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于某些疾病的預(yù)防、診斷具有十分重要的意義。Dickinson等[34]首次報(bào)道了一種新型的利用雙官能團(tuán)選擇性檢測(cè)活細(xì)胞線粒體內(nèi)H2O2的單光子熒光探針5(圖2)。該探針利用H2O2對(duì)硼酸酯的選擇性氧化作用和三苯基季磷鹽陽(yáng)離子對(duì)線粒體的靶向作用成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)線粒體內(nèi)H2O2的專一性檢測(cè)。共焦熒光成像和流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)表明，該探針可以成像各種哺乳類動(dòng)物細(xì)胞系內(nèi)的線粒體H2O2含量的變化以及帕金森病氧化應(yīng)激模型引起的H2O2濃度增加效應(yīng)。

Masanta等[35]也利用H2O2對(duì)硼酸酯的選擇性氧化作用和三苯基季磷鹽陽(yáng)離子對(duì)線粒體的靶向作用報(bào)道了一個(gè)對(duì)線粒體內(nèi)H2O2專一性識(shí)別的熒光探針6(圖2)，但該探針為雙光子比率熒光探針。當(dāng)探針與H2O2作用后，該探針的發(fā)射光顏色由藍(lán)色變?yōu)辄S色，具有選擇性好、雙光子吸收截面大、毒性低、不受pH值干擾等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞和活組織(成像深度達(dá)100～180 μm)中線粒體內(nèi)H2O2的雙光子熒光比率成像。

圖2 探針5和6的化學(xué)結(jié)構(gòu)式以及與H2O2的作用機(jī)理Fig.2 Chemical structures of probes 5 and 6 and their response mechanisms to H2O2

2.3 有機(jī)線粒體硫化氫(H2S)小分子熒光探針

圖3 探針7～11的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.3 Chemical structures of probes 7～11

H2S是繼NO和CO之后的第3種氣體信號(hào)分子，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、傳遞調(diào)控神經(jīng)信號(hào)、保護(hù)心血管系統(tǒng)、抑制發(fā)炎以及抗氧化等多種生理作用，其含量水平發(fā)生異常還與阿爾茲海默氏癥、唐氏綜合癥、糖尿病和肝硬化等多種疾病密切相關(guān)[36-38]。 因此，發(fā)展快速、準(zhǔn)確檢測(cè)生物體內(nèi)H2S濃度變化的熒光探針對(duì)于生命科學(xué)、分析科學(xué)和醫(yī)學(xué)具有重要意義。Wang等[39]以菁染料為熒光團(tuán)，利用H2S對(duì)硝基的還原性質(zhì)，開發(fā)出一種利用硝基功能團(tuán)檢測(cè)H2S的近紅外熒光探針7(圖3)。在水溶液和活細(xì)胞中均得到了積極的近紅外熒光信號(hào)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)H2S濃度變化的實(shí)時(shí)熒光成像，可望應(yīng)用于生物體系中H2S的原位分析。Mao等[40]以萘為熒光團(tuán)，疊氮基為識(shí)別基團(tuán)，報(bào)道了一種新型的檢測(cè)活細(xì)胞內(nèi)H2S的雙光子熒光探針8(圖3)，可實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞內(nèi)H2S的雙光子熒光成像，在生物體系中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。探針7和8只是檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)H2S的單、雙光子熒光探針，而沒有涉及到線粒體內(nèi)H2S的檢測(cè)。Chen等[41]設(shè)計(jì)合成了一種由混合熒光團(tuán)(部花箐和香豆素結(jié)構(gòu))組成的檢測(cè)線粒體內(nèi)H2S的單光子比率熒光探針9(圖3)。該探針在中性pH值條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2S的快速、專一性響應(yīng)，同時(shí)該探針?biāo)苄院?、透膜性好，可?shí)現(xiàn)對(duì)活細(xì)胞中線粒體內(nèi)H2S的單光子熒光成像。Liu等[42]以1,8-萘二甲酰亞胺為熒光團(tuán)，4-疊氮基苯-氨基甲酸酯為識(shí)別位點(diǎn)，設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)比率型的識(shí)別H2S的單、雙光子探針10和11(圖3)。兩個(gè)探針均具有選擇性好、檢出限低、毒性低、穩(wěn)定性好、pH值干擾小等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞中H2S的單、雙光子熒光成像。細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)證明，探針11是一個(gè)新型的專一識(shí)別線粒體內(nèi)H2S的雙光子熒光探針，在生物學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 探針12的化學(xué)結(jié)構(gòu)式以及與的反應(yīng)機(jī)理Fig.

2.5 有機(jī)線粒體金屬離子小分子熒光探針

生物體內(nèi)存在著各種各樣的金屬離子，它們對(duì)生命過(guò)程起著至關(guān)重要的作用，如Ca2+，Mg2+，Zn2+和Pb2+等在細(xì)胞的生長(zhǎng)生存、功能調(diào)節(jié)、電子傳遞以及體內(nèi)生物活性酶的催化等方面均扮演著重要角色[46-47]。另外，人體細(xì)胞中金屬離子含量過(guò)高或過(guò)低都將導(dǎo)致人體生理功能發(fā)生紊亂，從而引發(fā)各種疾病，甚至致癌和致畸[48-50]。因此，實(shí)時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)金屬離子在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有著極為重要的意義。Shindo等[51]基于羅丹明開發(fā)了一個(gè)能夠檢測(cè)線粒體內(nèi)Mg2+濃度變化的單光子熒光探針13(圖5)。在生理?xiàng)l件下，該探針的熒光性質(zhì)伴隨線粒體內(nèi)Mg2+濃度的變化而變化，且能夠檢測(cè)線粒體膜Mg2+的運(yùn)輸變化，實(shí)現(xiàn)了線粒體內(nèi)Mg2+的熒光成像。Masanta等[52]結(jié)合Zn2+螯合基團(tuán)和三苯基季磷鹽陽(yáng)離子合成了測(cè)定線粒體內(nèi)Zn2+含量的雙光子探針14(圖5)。該探針與Zn2+作用后，雙光子熒光強(qiáng)度增強(qiáng)7倍，雙光子活性吸收截面達(dá)75 GM，其選擇性好、靈敏度高、不受pH值干擾，實(shí)現(xiàn)了大鼠海馬切片100～200 μm深處線粒體內(nèi)Zn2+的雙光子熒光成像。Baek等[53]設(shè)計(jì)合成了一個(gè)與探針14結(jié)構(gòu)相似的用于測(cè)定線粒體內(nèi)Zn2+含量的雙光子探針15(圖5)。該探針與Zn2+作用后，雙光子熒光強(qiáng)度增強(qiáng)70倍，雙光子活性吸收截面達(dá)155 GM，具有吸收截面大、選擇性好、靈敏度高、對(duì)pH值不敏感等特點(diǎn)，同樣實(shí)現(xiàn)了大鼠海馬切片100～200 μm深處線粒體內(nèi)Zn2+的雙光子熒光成像。

圖5 探針13～15的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.5 Chemical structures of probes 13～15

2.6 有機(jī)線粒體次氯酸(HClO)小分子熒光探針

次氯酸根(ClO-)是生物體內(nèi)重要的活性氧組分之一，在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理作用,其水平過(guò)量或發(fā)生紊亂，會(huì)引發(fā)動(dòng)脈硬化、關(guān)節(jié)炎、心血管疾病、肺部損傷以及某些癌癥等一系列疾病[54-57]。因此，研究開發(fā)新型、高效的ClO-熒光探針對(duì)于研究ClO-的生理功能具有重要的生物學(xué)意義。Hou等[58]基于三苯基季磷鹽和吡啶鹽雙陽(yáng)離子，合成了兩個(gè)比色檢測(cè)線粒體內(nèi)次氯酸鹽的單光子熒光探針16和17(圖6)。兩個(gè)探針具有水溶性好、響應(yīng)時(shí)間快、檢測(cè)靈敏度及選擇性高、透膜性好等特征，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞和活體老鼠中線粒體內(nèi)次氯酸鹽的熒光成像，有望作為分子工具在化學(xué)和生物上得到廣泛應(yīng)用。Yuan等[59]報(bào)道了一個(gè)新型的識(shí)別線粒體內(nèi)HClO的雙光子探針18(圖6)。該探針的靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)時(shí)間快、膜透性好，具有較強(qiáng)的線粒體定位能力，可實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞中線粒體內(nèi)HClO的雙光子熒光成像，為進(jìn)一步闡明亞細(xì)胞中HClO的分布以及研究亞細(xì)胞或組織中HClO潛在的生物功能提供了有力的工具。

圖6 探針16～18的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.6 Chemical structures of probes 16-18

2.7 有機(jī)線粒體巰基小分子熒光探針

生物體內(nèi)存在著多種重要的巰基小分子，如半胱氨酸(Cys)、同型半胱氨酸(Hcy)以及還原型谷胱甘肽(GSH)等均在細(xì)胞生理和病理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。它們結(jié)構(gòu)相似，生理功能各異，且不可或缺，機(jī)體內(nèi)這些巰基小分子水平的異常，往往誘發(fā)多種疾病，如生長(zhǎng)緩慢、水腫、心血管疾病、老年癡呆癥、組織癌變等[60-63]。目前檢測(cè)線粒體內(nèi)Cys，Hcy和GSH的熒光探針鮮見報(bào)道，因此，開發(fā)高選擇性地識(shí)別線粒體內(nèi)Cys，Hcy和GSH的熒光探針，并實(shí)現(xiàn)其在活細(xì)胞中的雙光子熒光成像對(duì)于研究巰基小分子的產(chǎn)生、分布及水平波動(dòng)有著重要的科學(xué)意義。Lim等[64]利用巰基和二硫鍵發(fā)生作用，報(bào)道了一個(gè)比率型的識(shí)別線粒體內(nèi)巰基小分子的雙光子探針19(圖7)。在巰基存在的情況下，該探針的發(fā)射光由藍(lán)色變?yōu)辄S色，且毒性低、選擇性好、膜透性好、對(duì)pH值不靈敏、雙光子吸收截面大，可實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞和活組織中線粒體內(nèi)巰基小分子的雙光子熒光成像。但專一性識(shí)別線粒體內(nèi)巰基分子的雙光子熒光探針還未見報(bào)道。

圖7 探針19的化學(xué)結(jié)構(gòu)式以及與GSH的反應(yīng)機(jī)理Fig.7 Chemical structure of probe 19 and its reaction mechanism to GSH

圖8 探針20的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.8 Chemical structure of probe 20

圖9 探針21的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.9 Chemical structure of probe 21

2.8 有機(jī)線粒體粘度小分子熒光探針

生物細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域的粘度值也存在很大差別，細(xì)胞粘度值的變化會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)很多生理疾病或機(jī)體生理功能的改變。研究表明，細(xì)胞內(nèi)粘度的變化可以改變線粒體膜的流動(dòng)性，線粒體粘度的增加可能會(huì)導(dǎo)致許多疾病，如阿爾茨海默病、糖尿病、帕金森病、癌癥等[65-67]。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境粘度含量的變化具有非常重要的意義。Liu等[68]基于菁染料分子內(nèi)自旋會(huì)受到粘度的影響，成功設(shè)計(jì)合成了一種雙光子線粒體內(nèi)比色粘度熒光探針20(圖8)。該探針可以檢測(cè)線粒體內(nèi)粘度(粘度值范圍在1～950 cp)的變化，從而實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞和活組織(成像深度達(dá)60～130 μm)線粒體內(nèi)粘度的雙光子熒光成像。

2.9 有機(jī)線粒體pH值小分子熒光探針

細(xì)胞內(nèi)pH值在多種細(xì)胞活動(dòng)中起著重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，pH值異常變化與人體多種疾病相關(guān)，如癌癥、腎衰竭、肺病、老年癡呆癥等[69-71]。因此，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)pH值的變化對(duì)于研究細(xì)胞生理和病理過(guò)程具有重要意義。Wu等[72]基于香豆素吡啶鹽陽(yáng)離子合成了一種實(shí)時(shí)檢測(cè)活細(xì)胞線粒體內(nèi)pH值變化的熒光探針21(圖9)。該探針?biāo)苄院?，具有?yōu)異的pH值敏感特性和抗干擾能力，與商用線粒體示蹤器相比，對(duì)活細(xì)胞線粒體具有較高的專一定位能力以及良好的生物相容性。共焦成像實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該探針可以實(shí)時(shí)監(jiān)控線粒體酸度、細(xì)胞凋亡和應(yīng)激反應(yīng)時(shí)的pH值變化。但該探針為單光子線粒體pH值熒光探針，有關(guān)雙光子線粒體內(nèi)pH值熒光探針尚未見報(bào)道。

2.10 其它線粒體內(nèi)活性小分子的熒光探針

除了上述報(bào)道的檢測(cè)活細(xì)胞中線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針外，還包括諸如線粒體表面探針[73]、線粒體NO探針[74]、線粒體膜電位探針[75]等其它線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針。另外，除了利用熒光分析法檢測(cè)線粒體內(nèi)活性小分子外，還包括磷光分析法[74]、納米粒子類[76]、配合物類[77]等其它類型的分析方法。

3 總結(jié)與展望

目前雖已報(bào)道了許多有機(jī)線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針，但關(guān)于有機(jī)雙光子線粒體內(nèi)活性小分子的熒光探針仍相對(duì)較少。因此，有機(jī)線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針仍存在著以下亟待解決的問(wèn)題：①目前報(bào)道的大部分線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針的活性吸收截面較小，Stokes 位移較小，量子產(chǎn)率不高。因此，尋找具有大雙光子活性吸收截面、大Stokes位移、高熒光量子產(chǎn)率和識(shí)別響應(yīng)的線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針具有重要的科學(xué)價(jià)值和研究意義。②短波長(zhǎng)光易受到生物體系自發(fā)熒光和散射光的干擾，紅光具有光毒性低、光損傷小、背景熒光干擾小、樣品穿透性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高和便于觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)、合成紅光和近紅外光發(fā)射的線粒體內(nèi)活性小分子雙光子熒光探針將會(huì)非常必要。③發(fā)展毒性很低甚至無(wú)毒，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞特別是活細(xì)胞成像的雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針已顯得尤為重要。④比率型熒光探針能夠消除探針的濃度差異及外界的干擾因素，從而提高方法的選擇性、靈敏度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。因此，發(fā)展比率型雙光子線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針將是未來(lái)研究的重要方向。⑤ 加大線粒體探針?lè)N類研究以滿足線粒體內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境檢測(cè)的要求，同時(shí)對(duì)探針?lè)肿拥淖R(shí)別機(jī)理有待于深入研究和探討?？傊?，隨著人們對(duì)線粒體內(nèi)活性小分子熒光探針研究的不斷深入，發(fā)展具有高靈敏度、水溶性好、生物相容性好、光穩(wěn)定性好、毒性低，能夠快速成像線粒體內(nèi)活性小分子的雙光子熒光探針將是今后的主要方向。

[1] Mcbride H M,Neuspiel M,Wasiak S.Curr.Biol.,2006,16(14):R551-R560.

[2] Yousif L F,Stewart K M,Kelley S O.Chem.Biochem.,2009,10(12):1939-1950.

[3] Pivovarova N B,Andrews S B.FEBSJ.,2010,277(18):3622-3636.

[4] Cottet-Rousselle C,Ronot X,Leverve X,Mayol J F.CytometryPartA,2011,79A(6):405-425.

[5] Mclnnes J.Nutr.Metab.,2013,10(63):1-13.

[6] Li X Y,Fang P,Mai J T,Choi E T,Wang H,Yang X F.J.Hematol.Oncol.,2013,6(19):1-19.

[7] Wiseman H,Halliwell B.Biochem.J.,1996,313(1):17-29.

[8] Mccord J M.Science,1974,185(4150):529-531.

[9] Lesnefsky E J,Moghaddas S,Tandler B,Kemer J,Hoppel C J.Mol.Cell.Cardiol.,2001,33(6):1065-1089.

[10] Gardner A,Boles R G.CurrentPsychiatryReviews,2005,1(3):255-271.

[11] Balaban R S,Nemoto S,Finkel T.Cell,2005,120(4):483-495.

[12] Sensi S L,Yin H Z,Weiss J H.Eur.J.Neurosci., 2000,12(10):3813-3818.

[13] Sensi S L,Ton-That D,Sullivan P G,Jonas E A,Gee K R,Kaczmarek L K,Weiss J H.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2003,100(10):6157-6162.[14] Liu X,Sun Y M,Zhang Y H,Zhao N,Zhao H S,Wang G C,Yu X Q,Liu H.J.Fluoresc.,2011,21(2):497-506.[15] Wood Z A,Schr der E,Harris J R,Poole L B.TrendsBiochem.Sci.,2003,28(1):32-40.

[16] G?ppert-Mayer M.AnnalenderPhysik,1931,401(3):273-294.

[17] Kaiser W,Garrett C G B.Phys.Rev.Lett.,1961,7(6):229-231.

[18] Helmchen F,Denk W.Nat.Methods,2005,2(12):932-940.

[19] Lim C S,Cho B R.BMBReports,2013,46(4):188-194.

[20] Guo L,Wong M S.Adv.Mater.,2014,26(31):5400-5428.

[21] Denk W,Strickler J H,Webb W W.Science,1990,248(4951):73-76.

[22] Miao F,Song G F,Sun Y M,Liu Y,Guo F Q,Zhang W J,Tian M G,Yu X Q.Biosens.Bioelectron.,2013,50:42-49.[23] Haugland R P.TheHandbook:AGuidetoFluorescentProbesandLabelingTechnologies,MolecularProbes,Inc.2005,Chapter 12.2.[24] James A M,Cochemé H M,Smith R A J,Murphy M P.J.Biol.Chem.,2005,280(22):21295-21312.

[25] Ross M F,Prime T A,Abakumova I,James A M,Porteous C M,Smith R A G,Murphy M P.Biochem.J.,2008,41l(3):633-645.

[26] Green D R,Kroemer G.Science,2004,305(5684):626-629.

[27] Neto B A D,Carvalho P H P R,Santos D C B D,Gatto C C,Ramos L M,de Vasconcelos N M,Corrêa J R,Costa M B,de Oliveira H C B,Silva R G.RSCAdv.,2012,2(4):1524-1532.

[28] Zhang S,Wu T,Fan J L,Li Z Y,Jiang N,Wang J Y,Dou B R,Sun S G,Song F L,Peng X J.Org.Biomol.Chem.,2013,11(4):555-558.[29] Miao F,Zhang W J,Sun Y M,Zhang R Y,Liu Y,Guo F Q,Song G F,Tian M G,Yu X Q.Biosens.Bioelectron.,2014,55:423-429.

[30] Dai Y,Lv B K,Zhang X F,Xiao Y.Chin.Chem.Lett.,2014,25(7):1001-1005.

[31] Ohshima H,Tatemichi M,Sawa T.Arch.Biochem.Biophys.,2003,417(1):3-11.

[32] Mattson M P.Nature,2004,430(7000):631-639.

[33] Lin M T,Beal M F.Nature,2006,443(7113):787-795.

[34] Dickinson B C,Chang C J.J.Am.Chem.Soc.,2008,130(30):9638-9639.

[35] Masanta G,Heo C H,Lim C S,Bae S K,Cho B R,Kim H M.Chem.Commun.,2012,48(29):3518-3520.

[36] Blackstone E,Morrison M,Roth M B.Science,2005,308(5721):518.

[37] Eto K,Asada T,Arima K,Makifuchi T,Kimura H.Biochem.Biophys.Res.Commun.,2002,293(5):1485-1488.[38] Ryazantseva N V,Novitsky V V,Starikova E G,Kleptsova L A,Jakushina V D,Kaigorodova E V.Bull.Exp.Biol.Med.,2011,151(6):702-704.[39] Wang R,Yu F B,Chen L X,Chen H,Wang L J,Zhang W W.Chem.Commun.,2012,48(96):11757-11759.

[40] Mao G J,Wei T T,Wang X X,Huan S Y,Lu D Q,Zhang J,Zhang X B,Tan W H,Shen J L,Yu R Q.Anal.Chem.,2013,85(16):7875-7881.

[41] Chen Y C,Zhu C C,Yang Z H,Chen J J,He Y F,Jiao Y,He W J,Qiu L,Cen J J,Guo Z J.Angew.Chem.Int.Ed.,2013,52(6):1688-1691.[42] Liu X L,Du X J,Dai C G,Song Q H.J.Org.Chem.,2014,79(20):9481-9489.

[43] Mccord J M.Science,1974,185(4150):529-531.

[44] Sohal R S,Sohal B H,Orr W C.FreeRadicalBiol.Med.,1995,19(4):499-504.

[45] Li P,Zhang W,Li K X,Liu X,Xiao H B,Zhang W,Tang B.Anal.Chem.,2013,85(20):9877-9881.

[46] Arayanaswarny N,Govindaraju T.Sens.ActuatorsB,2012,161(1):304-310.

[47] Jeong Y,Yoon J.Inorg.Chim.Acta,2012,38l:2-14.

[48] Tapia L,Suazo M,H?dar C,Cambiazo V,González M.Biometals,2003,16(1):169-174.

[49] Zhang J F,Zhou Y,Yoon J,Kim J S.Chem.Soc.Rev.,2011,40(7):3416-3429.

[50] Bhalla V,Shsrma N,Kumar N,Kumar M.Sens.ActuatorsB,2013,178:228-232.

[51] Shindo Y,Fujii T,Komatsu H,Citterio D,Hotta K,Suzuki K,Oka K.PLoSONE,2011,6(8):e23684.

[52] Masanta G,Lim C S,Kim H J,Han J H,Kim H Y,Cho B R.J.Am.Chem.Soc.,2011,133(15):5698-5700.

[53] Baek N Y,Heo C H,Lim C S,Masanta G,Cho B R,Kim H M.Chem.Commun.,2012,48(38):4546-4548.

[54] Pattison D I,Davies M J.Chem.Res.Toxicol.,2001,14(10):1453-1464.

[55] Podrez E A,Abu-Soud H M,Hazen S L.FreeRadicalBiol.Med.,2000,28(12):1717-1725.

[56] Hammerschmidt S,Vogel T,Jockel S,Gessner C,Seyfarth H J,Gillissen A,Wirtz H.RespirMed.,2007,101(6):1205-1211.

[57] Guo T,Cui L,Shen J N,Wang R,Zhu W P,Xu Y F,Qian X H.Chem.Commun.,2013,49(18):1862-1864.[58] Hou J T,Wu M Y,Li K,Yang J,Yu K K,Xie Y M,Yu X Q.Chem.Commun.,2014,50(63):8640-8643.

[59] Yuan L,Wang L,Agrawalla B K,Park S G,Zhu H,Sivaraman B,Peng J J,Xu Q H,Chang Y T.J.Am.Chem.Soc.,2015,137(18):5930-5938.[60] Marí M, Morales A,Colell A,García-Ruiz C G,Fernández-Checa J C.Antioxid.RedoxSign.,2009,11(11):2685-2700.[61] Zheng L Q,Li Y,Yu X D,Xu J J,Chen H Y.Anal.Chim.Acta,2014,850:71-77.

[62] Wang K,Peng H J,Wang B H.J.Cell.Biochem.,2014,115(6):1007-1022.

[63] Yoshida M,Kamiya M,Yamasoba T,Urano Y.Bioorg.Med.Chem.Lett.,2014,24(18):4363-4366.

[64] Lim C S,Masanta G,Kim H J,Han J H,Kim H M,Cho B R.J.Am.Chem.Soc.,2011,133(29):11132-11135.[65] Aleardi A M,Benard G,Augereau O,Malgat M,Talbot J C,Mazat J P,Letellier T,Dachary-Prigent J,Solaini G C,More I.J.Bioenerg.Biomembr.,2005,37(4):207-225.

[66] Mecocci P,Beal M F,Cecchetti R,Polidori M C,Cherubini A,Chionne F, Avellini L,Romano G,Senin U.Mol.Chem.Neuropathol.,1997,31(1):53-64.

[67] Deliconstantinos G,Villiotou V,Stavrides J C.Biochem.Pharmacol.,1995,49(11):1589-1600.

[68] Liu F,Wu T,Cao J F,Cui S,Yang Z G,Qiang X X,Sun S G,Song F L,Fan J L,Wang J Y,Peng X J.Chem.Eur.J.,2013,19(5):1548-1553.

[69] Hansen S H,Sandvig K,Van Deurs B.J.CellBiol.,1993,121(1):61-72.

[70] Schindler M,Grabski S,Hoff E,Simon S M.Biochemistry,1996,35(9):2811-2817.

[71] Holopainen J M,Saarikoski J,Kinnunen P K J,J?rvel? I.Eur.J.Biochem.,2001,268(22):5851-5856.

[72] Wu M Y,Li K,Liu Y H,Yu K K,Xie Y M,Zhou X D,Yu X Q.Biomaterials,2015,53:669-678.

[73] Kawazoe Y,Shimogawa H,Sato A,Uesugi M.Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50(24):5478-5481.

[74] Chen X,Sun L L,Chen Y,Cheng X L,Wu W J,Ji L N,Chao H.Biomaterials,2015,58:72-81.

[75] Kim Y S,Yang C T,Wang J J,Wang L G,Li Z B,Chen X Y,Liu S.J.Med.Chem., 2008, 51(10):2971-2984.[76] Du F K,Min Y H,Zeng F,Yu C M.Wu S Z.Small,2014,10(5):964-972.

[77] Liu J P,Chen Y,Li G Y,Zhang P Y,Jin C Z,Zeng L L,Ji L N,Chao H.Biomaterials,2015,56:140-153.

Research Progress in Organic Two-photon Fluorescent Probes for Active Small Molecules in Mitochondria

YANG Zhi-guang*,LI Yun-lin,CHEN Ya-hong,GUO Lei,ZHANG Jian-fu,PENG Peng

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466001,China)

Mitochondria plays a key role in energy metabolism of cells,and the small changes of internal environment in mitochondria will affect the normal cell life activities.In the meanwhile,many active small molecules in mitochondria also play a key role in many physiological process.Therefore,visual monitoring of mitochondrial itself and its changes of the internal micro environment are of great importance for the research of biological phenomenon，disease diagnosis and treatment.Fluorescence method has been extensively used due to its advantages of simple operation,high sensitivity and selectivity,real-time detection and little damage to organisms.The two-photon fluorescent probe technique has shown a much broader application prospect in the field of life sciences compared to the one-photon fluorescent probe technique as it has many advantages,such as absorbing light of longer wavelength with lower energy but emitting shorter wavelength，high three-dimensional spatial selectivity，large penetration depth，avoidance of photodamage and photobleaching and lower tissue auto-fluorescence.The basic principle of organic two-photon absorption and the research status of organic two-photon fluorescent probes for active small molecules in mitochondria were introduced,as well as the trends of organic fluorescent probes for active small molecules in mitochondria in the future were prospected.Key words：mitochondria;active small molecules;two-photon;fluorescent probes;detection；review

2015-10-15；

2015-12-13

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃資助(15A430055)；周口師范學(xué)院校本項(xiàng)目資助(ZKNUB115201)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.05.023

O622；TP212.2

A

1004-4957(2016)05-0627-08

*通訊作者：楊志廣，博士，講師，研究方向：有機(jī)功能材料及無(wú)機(jī)納米材料，Tel：18238475979，E-mail：yangzhiguang2006420@126.com