王旭梅,高明昱,孫 琦,宋新建,?
1. 湖北民族大學生物資源保護與利用湖北省重點實驗室,湖北恩施445000;2. 湖北民族大學化學與環(huán)境工程學院,湖北恩施445000
過氧亞硝酸根(peroxynitrite,ONOO-)是一種細胞內(nèi)源性活性氧物種(reactive oxygen species,ROS),由生物系統(tǒng)中超氧陰離子自由基(O2?-)和一氧化氮(NO)快速反應形成,具有抗菌活性和信號傳導作用[1]。體內(nèi)ONOO-濃度過高時,會氧化破壞DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的結(jié)構(gòu),引起炎癥反應導致細胞死亡。ONOO-還可以硝化酪氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸,從而影響細胞的正常生長[2~4]。因此,揭示細胞內(nèi)ONOO-的分布與濃度波動對于了解ONOO-在不同生理或病理過程中的作用至關(guān)重要。
雙光子激光共聚焦成像是一種重要的熒光成像工具[5~7],其較長的激發(fā)波長可以減少生物背景熒光,提高信噪比[8];對生物樣品的損傷較小,適于生物樣品的長時間成像觀測;其焦點激發(fā)的方式可避免焦點以外的光漂白,從而提高空間分辨率[9];其近紅外激發(fā)可實現(xiàn)深度組織成像[10~12]。這些優(yōu)勢都為實時、原位檢測生物體中ONOO-的分布與水平變化提供了支持。然而,目前用于檢測ONOO-的大多數(shù)雙光子熒光探針缺乏大的雙光子熒光活性截面(δΦ),很難利用雙光子激光共聚焦成像技術(shù)實現(xiàn)ONOO-的熒光成像分析。
6-羥基-2,3,4,4a-四氫-1H-氧雜蒽-1-酮(GCTPOC)是Yuan 課題組[13]2013 年合成的一種雙光子熒光團。與綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)及其剛性類似物相比,GCTPOC 表現(xiàn)出如下優(yōu)勢:1) 從化學結(jié)構(gòu)上看,GCTPOC 使用氧橋?qū)晒鈭F單元鎖定成剛性平面結(jié)構(gòu),類似于GFP發(fā)色團的Z-異構(gòu)體,以防止芳基-烯烴的自由旋轉(zhuǎn)和雙鍵的E/Z 異構(gòu)化;2) GFP 生色團咪唑啉酮環(huán)中的兩個氮原子被替換為碳原子,發(fā)色團中的酰胺官能團在GCTPOC 中轉(zhuǎn)變成羰基,具有更強的吸電子能力??梢姡珿CTPOC 具有更有效的推-拉結(jié)構(gòu),因而具有更大的雙光子熒光活性截面。
為此,本工作以GCTPOC 為雙光子熒光團、以1-甲基吲哚啉-2,3-二酮為ONOO-的識別基團,設(shè)計并合成了一種用于檢測過氧亞硝酸根的雙光子熒光探針GCT-ONOO(圖1),可特異性識別并檢測細胞內(nèi)ONOO-。該探針對ONOO-具有較短的反應時間(35 min),可應用于監(jiān)測細胞外源性和內(nèi)源性O(shè)NOO-含量的變化,并可實現(xiàn)細胞炎癥過程中對ONOO-的高靈敏成像分析。
圖1 GCT-ONOO 探針對細胞內(nèi)ONOO-的響應機理Fig.1 Response mechanism of GCT-ONOO probe to intracellular ONOO-
試劑:SIN-1(5-氨基-3-(4-嗎啉基)-1,2,3-噁二唑鹽酸鹽)購自Cayman Chemical 公司;DMEM細胞培養(yǎng)基購自Gibco 公司;合成及細胞實驗使用藥品均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;所有溶劑均購自上海國藥集團;所有試劑均為分析純或更高純級,使用前未經(jīng)進一步純化;實驗所需溶液均使用超純水配制。
儀器:UV-2550 型紫外-可見分光光度計(UVVis,Shimadzu 公司),RF-6000 型熒光分光光度計(Shimadzu 公司),LSM780 NLO 型雙光子激光共聚焦顯微鏡(Carl Zeiss 公司),6230 TOF 型電噴霧-高分辨時間質(zhì)譜儀(ESI-TOF,Agilent 公司),Ascend 400 型核磁共振儀(Bruker 公司),Multiskan FC 型酶標儀(ThermoFisher Scientific 公司)。
GCTPOC 和化合物1 分別根據(jù)文獻[14]和[15]方法合成。
GCT-ONOO 的合成路線如圖2 所示。取300 mg GCTPOC(1.39 mmol)、525 mg 5-溴甲基-1-甲基吲哚啉-2,3-二酮(化合物1)(2.08 mmol)、60 mg NaOH(1.39 mmol)和20 mL 無水乙腈于50 mL圓底燒瓶中,室溫條件下攪拌反應8 h,采用薄層色譜法(TLC)監(jiān)測反應過程。待反應完全后,用二氯甲烷萃取,再經(jīng)柱層析分離(石油醚/乙酸乙酯體積比1∶1)得到橙色固體,即為GCT-ONOO,產(chǎn)率33.2%。產(chǎn)物的磁共振氫譜(1H NMR,400 MHz,DMSO-d6)化學位移值δ:7.75(d,J=8.1 Hz,1H),7.61(s,1H),7.34(d,J=8.6 Hz,2H),7.16(d,J=8.1 Hz, 1H), 6.71~6.55(m, 2H), 5.11(s, 2H), 5.03~4.94(m,1H),3.14(s,3H),2.40~2.35(m,2H),1.92(t,J=13.6 Hz,2H),1.67(t,J=9.7 Hz,1H),1.23(s,1H);磁共振碳譜(13C NMR,100 MHz,DMSO-d6)δ:196.68, 183.72, 161.83, 158.77, 157.44,151.54,138.16,132.05,131.71,130.71,128.19,125.42,117.94,115.83,111.05,109.99,102.43,75.01,69.01,38.69,29.46,26.56,17.80;高分辨質(zhì)譜(HR-MS,ESI-TOF)數(shù)據(jù):C23H20NO5+[M+H]+理論值390.134 1;實驗值390.135 6。
圖2 GCT-ONOO 的合成路線Fig.2 Synthetic route of probe GCT-ONOO
1.3.1 水溶性
配制不同濃度(0.25、5、10、15、20 和25 μmol/L)的GCT-ONOO 溶液,分別與300 μmol/L ONOO-(由供體SIN-1 產(chǎn)生)在37 ℃、170 r/min 條件下反應35 min,然后測試體系的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜,觀測體系在385 nm 處吸光度的變化,考察GCT-ONOO 的水溶性,并繪制標準曲線。
1.3.2 雙光子熒光活性截面
采用雙光子誘導熒光法測定GCT-ONOO 于反應前后的雙光子吸收截面[16]。
首先,以10 μmol/L 羅丹明B 乙醇溶液為參比溶液,測得探針GCT-ONOO 及GCTPOC 在甲醇溶液中的熒光量子產(chǎn)率Φs。計算公式如下
其中,A代表最大吸收波長的吸光度(A≤0.05);Φ代表量子產(chǎn)率,n代表溶劑的折射率;F代表利用最大吸收波長激發(fā)后的熒光光譜積分面積;下標s、r分別代表待測樣品和參比溶液。此處,Φr為羅丹明B 溶液的量子產(chǎn)率(0.71)。
以羅丹明6G 的甲醇溶液(5 μmol/L)為參比溶液,測定GCT-ONOO 在甲醇溶液中反應前后的雙光子吸收截面δ(激發(fā)波長:760~900 nm),再通過δΦ計算雙光子熒光活性截面。雙光子吸收截面δ的計算公式如下:
其中,S為雙光子熒光光譜積分面積,c為溶液濃度;δr為羅丹明6G 溶液的雙光子吸收截面(70 GM,1 GM=1×10-50cm4·s·photons-1·molecule-1)。
1.3.3 光物理性質(zhì)
配 制 含10 μmol/L GCT-ONOO,SIN-1 分 別為0、80 μmol/L 的磷酸鹽(PBS)緩沖液(pH 7.4,含10% DMSO(二甲基亞砜)),于37 ℃、170 r/min 恒溫振蕩反應35 min,檢測兩種反應液的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜,考察GCT-ONOO 的光物理性質(zhì)。
1.3.4 熒光發(fā)射光譜
配 制 含10 μmol/L GCT-ONOO、SIN-1 分 別為0、0.5、2、4、6、8、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80 μmol/L 的 PBS 緩沖液(pH 7.4,含 10%DMSO),于37 ℃、170 r/min 恒溫振蕩反應35 min。在激發(fā)波長為400 nm、激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm 條件下,掃描體系的熒光發(fā)射光譜。
1.3.5 時間依賴性
準確配制濃度為10 μmol/L 的GCT-ONOO 檢測液(pH 7.4,含10% DMSO),測試該溶液分別與0、30、60 μmol/L SIN-1 反應0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 min 時的熒光發(fā)射光譜,并以每個時間點相應的熒光強度對時間作圖。
1.3.6 pH 穩(wěn)定性
配制含10 μmol/L GCT-ONOO 的檢測液,在不同pH 值的PBS 緩沖液(pH 值分別為5.0、5.4、5.8、6.2、6.6、7.0、7.4、8.0、8.4,含10% DMSO)中,分別與0、60 μmol/L SIN-1 溶液于37 ℃、170 r/min 恒溫振蕩反應35 min,測試體系的熒光發(fā)射光譜,并以熒光強度對pH 值作圖。
1.3.7 選擇性
向10 μmol/L 的GCT-ONOO 溶 液 中,分 別 加入生物分子(1.0 mmol/L 同型半胱氨酸(Hcy)、谷胱甘肽(GSH)和半胱氨酸(Cys))、活性氧(100 μmol/L 過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子(O2?-)和次氯酸(HClO))、活性氮(100 μmol/L 一氧化氮(NO)、亞硝酸根離子(NO2-))、活性硫(H2S)、金屬離子(20 μmol/L Fe3+、Ca2+、Mg2+、Zn2+)和ONOO-(60 μmol/L)的PBS 緩 沖 液(10 mmol/L, pH 7.4,含10% DMSO),于37 ℃、200 r/min 恒溫振蕩反應35 min,測試體系的熒光發(fā)射光譜。
1.3.8 探針GCT-ONOO 的檢出限
GCT-ONOO 對ONOO-的檢出限(LOD)根據(jù)LOD=3σ/k計算。其中,σ表 示11 組GCT-ONOO(10 μmol/L)溶液在520 nm 處的熒光強度標準偏差,k表示GCT-ONOO 在線性范圍內(nèi)的斜率。
1.4.1 細胞培養(yǎng)
將處于對數(shù)生長期的腎上腺嗜鉻細胞瘤細胞(PC12 細胞,購自武漢尚恩生物技術(shù)有限公司,細胞數(shù)大于5×105cells/mL)置于含1%青霉素、1%鏈霉素和10%胎牛血清的DMEM 培養(yǎng)液中,于37 °C培養(yǎng)箱(5% CO2、95%空氣)中培養(yǎng)。成像前一天將細胞轉(zhuǎn)移至玻底培養(yǎng)皿(直徑35 mm)中使其貼壁生長到合適密度。在與藥物或刺激物共同孵育前,先用37 °C 預熱過的PBS 緩沖溶液將細胞清洗兩次,除去液體,置于含有藥物或刺激物的新鮮培養(yǎng)基中繼續(xù)孵育。細胞成像前將PC12 細胞用PBS緩沖液清洗兩次,成像時雙光子激發(fā)波長為860 nm,熒光收集范圍為480~580 nm(綠色通道)。
1.4.2 細胞毒性實驗
采用MTT(噻唑藍)法測定GCT-ONOO 的細胞毒性。將PC12 細胞接種于96 孔板中,將0、5、10、20、30 μmol/L GCT-ONOO 分 別 加 入 到 含10%DMSO 溶液的100 μL DMEM 培養(yǎng)基中(每個濃度設(shè)置3 組平行實驗)。將上述用不同濃度GCTONOO 標記的PC12 細胞孵育24 h 后,在每孔中加入20 μL 5 mg/mL MTT 溶液,繼續(xù)培育4 h,除去上清液,再加入150 μL DMSO 溶液,低速振蕩10 min,用酶標儀測試各體系在490 nm 處的吸光度。根據(jù)GCT-ONOO 標記組和對照組的吸光度計算細胞存活率。
首先考察了GCT-ONOO 與ONOO-反應后的水溶性。圖3 為不同濃度(0.25~25 μmol/L)GCTONOO 與300 μmol/L ONOO-反應后的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜。由圖3 可知,體系最大吸收峰(385 nm)處的吸光度值與GCT-ONOO 濃度呈現(xiàn)出良好的正比例關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.996;在GCT-ONOO 濃度達到25 μmol/L 時,最大吸光度仍在上升,說明GCT-ONOO 具有良好的水溶性。這為GCT-ONOO 用于水溶液檢測和細胞成像奠定了基礎(chǔ)。
圖3 (a)不同濃度GCT-ONOO 與ONOO-反應后的UV-Vis 光譜;(b)體系385 nm 處吸光度與GCT-ONOO 濃度的關(guān)系曲線Fig.3 (a)UV-Vis absorption spectra of different concentrations of GCT-ONOO reacted with ONOO-;(b)the relationship between the absorbance at 385 nm of the system and the concentration of GCT-ONOO
通過雙光子誘導熒光法測定并計算GCTONOO(5 μmol/L)與ONOO-(80 μmol/L)反應前后的雙光子熒光活性截面,結(jié)果如圖4 所示。實驗結(jié)果表明,在760~900 nm 范圍內(nèi),GCT-ONOO與ONOO-反應前雙光子熒光活性截面很小,而反應后在860 nm 處出現(xiàn)最大的雙光子熒光活性截面(262 GM),表明該熒光染料具有良好的雙光子性能,可應用于雙光子共聚焦成像。
圖4 GCT-ONOO 與ONOO-反應前后在不同激發(fā)波長下的雙光子熒光活性截面Fig.4 Two-photon fluorescence active cross section of GCT-ONOO probe reacting with or without ONOOat different exciting wavelengths
進一步測試了GCT-ONOO(10 μmol/L)與ONOO-(80 μmol/L)反應前后的UV-Vis 光譜和熒光發(fā)射光譜。由圖5(a)可以看出,GCT-ONOO 反應前的吸收峰強度可忽略不計,而與ONOO-反應后在385 nm 處熒光強度顯著增強,出現(xiàn)強吸收峰。由圖5(b)可以看出,反應前探針背景熒光強度很低,反應后在520 nm 處出現(xiàn)強吸收峰,Stokes 位移達到135 nm。
圖5 GCT-ONOO 與ONOO-反應前后的UV-Vis 光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)Fig.5 UV-Vis spectra (a)and fluorescence emission spectra (b)of probe GCT-ONOO reacting with or without ONOO-
探 究 了GCT-ONOO(10 μmol/L, pH 7.4,含10% DMSO)對不同濃度ONOO-(0~80 μmol/L)反應35 min 后的濃度依賴關(guān)系。如圖6(a)所示,隨著ONOO-濃度的不斷增加,反應體系在520 nm 處的熒光強度不斷增強,加入ONOO-(80 μmol/L)比未加ONOO-的反應體系熒光強度增加了34.6 倍。圖6(b)為520 nm 處熒光強度與ONOO-濃度的關(guān)系曲線。圖6(c)顯示,在0.5~60 μmol/L 之間,GCTONOO 溶液的熒光強度與ONOO-濃度之間存在良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達0.996,由3σ/k(σ表示11組GCT-ONOO 溶液(10 μmol/L)在520 nm 處的熒光強度標準偏差,k表示GCT-ONOO 滴定光譜曲線在線性范圍內(nèi)的斜率)計算得到檢出限LOD 為13.5 nmol/L,說明該探針的靈敏度高。圖6(d)顯示,探 針GCT-ONOO 與ONOO-(30、60 μmol/L)可在35 min 內(nèi)反應完全,之后隨著時間延長體系熒光強度基本保持不變,表明該探針對ONOO-的響應較快。對GCT-ONOO 與ONOO-(60 μmol/L)在不同pH 值的PBS 緩沖液中的熒光響應進行了考察。如圖6(e)所示,pH 值對未加入ONOO-的GCT-ONOO 熒光強度幾乎無影響,而對加入ONOO-(60 μmol/L)后的體系熒光強度影響較大;pH 5.0~5.8 范圍內(nèi),GCT-ONOO 與ONOO-反應后熒光強度基本沒有變化,而pH 5.8~8.4 范圍內(nèi),體系的熒光強度隨著pH 值的增加逐漸增強。這是因為在堿性條件下,GCT-ONOO 與ONOO-反應產(chǎn)物中的羥基變?yōu)檠踟撾x子,給電子能力增強而發(fā)出更強的熒光。本文還探討了GCT-ONOO(10 μmol/L)對13種不同干擾物的響應情況(1.0 mmol/L Hcy、GSH、Cys,100 μmol/L H2O2、O2?-、HClO、NO、NO2-、H2S 和20 μmol/L Fe3+、Ca2+、Mg2+、Zn2+)。如圖6(f)所示,除ONOO-外,干擾物分子均未使探針GCT-ONOO 的熒光強度發(fā)生明顯變化,顯示該探針對ONOO-具有高度的選擇性。
圖6 (a)GCT-ONOO 與不同濃度ONOO-反應的熒光發(fā)射光譜;(b)熒光強度和ONOO-濃度的關(guān)系曲線;(c)GCT-ONOO熒光強度與ONOO-濃度的線性擬合曲線;(d)GCT-ONOO 與ONOO-反應不同時間的熒光強度;(e)pH 值對GCT-ONOO與ONOO-體系熒光強度的影響;(f)GCT-ONOO 對ONOO-的選擇性Fig.6 (a)Fluorescence emission spectra of the reaction between GCT-ONOO and different concentrations of ONOO-;(b)the relationship curve between fluorescence intensity and ONOO- concentration;(c)the linear fitting curve of fluorescence intensity and ONOO- concentration;(d)the fluorescence intensity of GCT-ONOO and ONOO- at different time;(e)the effect of pH value on fluorescence intensity of GCT-ONOO and ONOO- systems;(f)selectivity of GCT-ONOO to ONOO-1~16 in(a):ONOO- 0,0.5,2,4,6,8,10,12,15,20,30,40,50,60,70,80 μmol/L
為了考察GCT-ONOO 能否用于細胞內(nèi)ONOO-的檢測,采用MTT(噻唑藍)法評估GCTONOO 的細胞毒性。結(jié)果顯示,PC12 細胞與不同濃度(0~30 μmol/L)的GCT-ONOO 共孵育24 h,細胞存活率仍達到93%以上,說明該探針細胞毒性低,可用于后續(xù)的細胞成像分析。
先考察GCT-ONOO 對細胞外源性O(shè)NOO-的熒光成像。 在PC12 細胞中加入不同濃度的ONOO-釋放劑SIN-1(0、5、10、30 μmol/L)孵育30 min 后,再加入GCT-ONOO(10 μmol/L)繼續(xù)孵育20 min,然后進行細胞成像。從圖7 結(jié)果可知,體系熒光強度隨ONOO-濃度的增加而增強,表明該探針可實現(xiàn)對外源性O(shè)NOO-的檢測。
圖7 (a)GCT-ONOO 與不同濃度SIN-1(0, 5, 10, 30 μmol/L)在細胞中的雙光子激光共聚焦成像;(b)(a)圖中各組細胞的相對熒光強度Fig.7 (a)Two-photon laser confocal imaging of GCT-ONOO and different concentrations of SIN-1(0,5,10,30 μmol/L)in cells;(b)the relative fluorescence intensity of the corresponding cells in figure (a)λex=860 nm,λgreen=480-580 nm;the scale is 40 μm
SIN-1 之所以可釋放ONOO-是因為它可同時釋放NO 和O2?-,隨即反應生成ONOO-[17]。因此,為了排除其他干擾物如活性氧及活性氮存在的潛在干擾,在體系中分別加入HClO 及ONOO-清除劑Minocycline(二甲胺四環(huán)素)、O2?-清除劑TEMPO(四甲基哌啶氮氧化物)和NO 合成酶抑制劑AG(氨基胍)3 種試劑,設(shè)置了6 組細胞實驗:a 組將PC12細胞用GCT-ONOO(10 μmol/L)孵育20 min 建立Sham 組;b 組 中 加 入30 μmol/L HClO 孵 育30 min后,再加入GCT-ONOO(10 μmol/L)孵育20 min;c 組將PC12 細胞置于30 μmol/L SIN-1 孵育30 min后,再加入GCT-ONOO(10 μmol/L)孵育20 min 建立對照組;d~f 組在加入30 μmol/L SIN-1 孵育30 min 后,再分別加入5 μg/mL Minocycline、TEMPO和AG,然后加入GCT-ONOO(10 μmol/L)孵育20 min。如圖8 所示,加入SIN-1 后體系熒光強度顯著增加,而加入3種抑制劑及HClO 后,熒光強度相對于對照組幾乎可忽略,進一步表明GCT-ONOO 在細胞中可靈敏且特異性地識別ONOO-。
圖8 (a)各組細胞(a-f)的雙光子激光共聚焦成像;(b)(a)圖中各組細胞的相對熒光強度Fig.8 (a)Two-photon laser confocal imaging in each group of cells (a-f);(b)the relative fluorescence intensity of each group of cells in figure (a)λex=860 nm,λgreen=480-580 nm;the scale is 40 μm
進一步考察了GCT-ONOO 對細胞內(nèi)源性O(shè)NOO-的熒光成像。設(shè)計了5 組實驗:a 組為Sham組;b 組加入1 μg/mL 脂多糖(LPS)、100 ng/mLγ-干擾素(IFN-γ)和10 ng/mL 佛波酯(PMA)進行預處理以刺激細胞發(fā)生炎癥并產(chǎn)生內(nèi)源性O(shè)NOO-,再加入GCT-ONOO(10 μmol/L)孵育20 min 建立對照組;c~e 組在加入與b 組等量的LPS、IFN-γ和PMA 后,分別加入20 μg/mL Minocycline、TEMPO和AG 三種試劑孵育30 min,再加入GCT-ONOO(10 μmol/L)繼續(xù)孵育20 min。如圖9 所示,只加LPS、IFN-γ和PMA 三種刺激劑時,體系綠色熒光顯著增強(b 組),而加入Minocycline、TEMPO 和AG 后(c-e 組),卻只顯示很微弱的熒光。結(jié)果表明,GCT-ONOO 可用于檢測細胞內(nèi)源性O(shè)NOO-。
圖9 (a)GCT-ONOO 與細胞內(nèi)源性O(shè)NOO-的雙光子激光共聚焦成像;(b)(a)圖中各細胞組的相對熒光強度Fig.9 (a)Two-photon laser confocal imaging of GCT-ONOO and cellular endogenous ONOO-;(b)the relative fluorescence intensity of the corresponding cells in figure (a)λex=860 nm,λgreen=480-580 nm;the scale is 40 μm
本文采用具有優(yōu)異雙光子熒光活性截面的GCTPOC 為雙光子熒光團、以1-甲基吲哚啉-2,3-二酮為ONOO-的識別基團,設(shè)計并合成了一種ONOO-雙光子熒光探針GCT-ONOO。該探針水溶性較好,熒光響應倍數(shù)較高(熒光強度增加34.6倍)、響應速度較快(35 min)、靈敏度好(檢出限低至13.5 nmol/L)、Stokes 位移大(135 nm),選擇性好,且可用于檢測細胞外源性O(shè)NOO-,并成功應用于細胞炎癥模型中ONOO-的熒光成像分析。