具有可调节取代基的光物理性质、细胞成像功能以及近红外波长下的体内粘度传感能力的咪唑[1,2-a]吡啶基荧光分子

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Substituent tunable photophysical properties, cell imaging and in vivo viscosity sensing of a near-infrared imidazo[1,2- a]pyridine-based fluorescent molecule

近红外荧光分子合成及其在粘度传感和细胞成像中的应用。通过设计两类咪唑并[1,2-a]嘧啶衍生物，研究其溶剂极性、pH、粘度和聚集对荧光的影响，发现13h在pH7.4时发射718nm近红外光，具有分子转子特性，能增强粘度和聚集状态的荧光，并成功用于SH-SY5Y细胞摄取实验和活体小鼠器官粘度监测。

　　

Dheeraj Pandey | Jasleen Kaur | Saba Naqvi | Abha Sharma

印度北方邦勒克瑙新交通校区，国家制药教育与研究学院药物化学系

摘要

在本研究中，我们合成并评估了两系列（8a-8d 和 13a-13h）含有近红外荧光分子的咪唑[1,2-a]吡啶化合物。在不同极性、pH值、粘度和聚集状态下测定了这些分子的荧光特性。通过替换分子中的不同基团，观察到激发波长和发射波长的变化。侧链衍生物的发射波长比直链衍生物更长。在pH值为7.4时，化合物13h显示出718纳米的近红外发射峰。随着粘度的增加和聚集现象的发生，分子的荧光强度增强，表明它们可能作为分子转子，并表现出聚集诱导的荧光特性。化合物13h在SH-SY5Y细胞中表现出良好的摄取能力，即使在1微米的低浓度下也能对细胞进行染色。此外，化合物13h还被用于监测活体BALB/c小鼠及其器官的粘度变化。

引言

近年来，小分子荧光探针因其多种应用而受到广泛关注，包括传感[1]、药物发现[2]、细胞成像[3]和环境分析[4]以及各种医疗应用[4]。这种广泛应用归因于几个关键因素：荧光发射具有高灵敏度，即使在低浓度下也能实现精确检测[5]。荧光分子能够感知多种重要因素，如聚集[6]、[7]、[8]、[9]、pH值[10]、[11]、溶剂极性[13]和粘度[14]。分子的聚集可能导致荧光强度的减弱（称为聚集诱导的淬灭，ACQ）或增强（称为聚集诱导的发射，AIE）[15]。荧光分子的另一个重要特性是在不同pH值下发生质子化、去质子化和结构变化，从而表现出荧光强度和波长的变化，这类分子被称为pH敏感型荧光分子。由于结构变化，pH敏感型分子能够检测细胞成分（如细胞质、溶酶体等）以及肿瘤的酸性环境[16]。荧光分子在溶剂极性增加时发射波长发生蓝移/红移的现象称为溶剂致色效应（solvatochromism）。溶剂致色荧光分子被广泛用于检测细胞微环境的极性[17]和异质溶剂系统等。某些荧光分子（称为分子转子）在高粘度环境中通过限制分子旋转来增强荧光强度。这些粘度敏感型荧光分子常用于测量生物环境和细胞中的微粘度[18]。血液粘度对正常生理功能和稳态至关重要，因为粘度增加会减缓血液流向器官的速度。动脉粥样硬化等疾病会导致红细胞（RBC）聚集，提高血液粘度，减少流向大脑和心脏的血液流量。这种血栓也是缺血性中风[19]、[20]等疾病的原因。不同细胞器和器官的粘度各不相同，因此使用传统方法（如毛细管粘度计）测量血液粘度较为困难。因此，可以开发出粘度敏感型荧光分子来计算生物系统中的粘度变化。此外，可以通过修改这些分子的结构来控制其各种性质，如激发波长、发射波长、对特定目标的亲和力、化学反应性和在细胞内的定位。这种多功能性使研究人员能够根据具体实验需求定制荧光分子，从而提高其在不同科学领域的应用价值[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。

在这方面，通过取代基团的电子性质和位置以及选择合适的受体[28]、[29]，可以调节咪唑[1,2-a]吡啶的荧光特性。咪唑[1,2-a]吡啶核心结构常见于多种有机化合物中，在药物化学和药物发现领域具有很高的价值[30]。该分子由两个含有九个碳原子和两个氮原子的环组成，这两个环共包含十个π电子[31]。这种核心结构是一个融合的双环系统，由一个咪唑环和一个吡啶环组成[32]。这两个环的独特化学性质赋予了化合物独特的功能和相互作用，使其在荧光应用中特别有价值。咪唑环和吡啶环的结合形成了具有显著荧光特性的分子框架。这些特性在生物成像、化学传感和细胞监测等多种应用中发挥着重要作用。芳香环增强了光的吸收和发射，有助于在荧光检测中实现高灵敏度。此外，咪唑[1,2-a]吡啶核心的结构适应性使得通过修饰取代基团可以精确调整荧光特性，如激发波长、量子产率和光稳定性。这种分子设计的灵活性提高了含有该核心的化合物在荧光应用中的实用性，从而实现特定研究或诊断需求的准确性和有效性[33]。

我们研究小组的主要方向是开发咪唑[1,2-a]吡啶及其他基于共轭杂环的荧光团，使其能够作为传感器用于检测环境和生物样本中的不同类型分析物[34]、[35]、[36]。在本研究中，我们设计了一系列基于咪唑[1,2-a]吡啶的小分子荧光团，其中包含在线性和支链结构中的二氰异佛尔酮受体。合成的分子在不同极性指数溶剂中表现出溶剂致色行为。所有分子在PBS 7.4条件下显示出最大的荧光强度。从这两系列中选出在PBS 7.4条件下荧光强度最高的分子，进一步研究其聚集行为和对粘度的响应。观察到随着粘度的增加，分子的荧光强度增强，而发射波长向更长波长方向移动。其中发射强度最高的分子被用于监测活体动物的血液粘度变化。

部分内容摘要

分子的设计与合成

“供体-π-受体”（D-π-A）方法被广泛用于开发近红外荧光（NIR）分子。这类荧光分子中可能存在分子内的电荷转移（ICT）现象[37]。现有研究表明咪唑[1,2-a]吡啶作为电子供体，二氰异佛尔酮作为侧链上的电子受体[38]。在当前研究中，我们使用咪唑[1,2-a]吡啶设计并合成了一系列新的分子

结论

总结来说，我们设计、合成并表征了两系列新型咪唑[1,2-a]吡啶-二氰异佛尔酮共轭物。合成的分子在不同极性溶剂中表现出溶剂致色行为。在各种溶剂中，PBS 7.4条件下的荧光强度最高。分子环上的不同取代基团导致了不同的激发波长和发射波长。含有侧链二氰异佛尔酮的分子具有更高的荧光强度

材料与仪器

所有化学品和溶剂均从Sigma Aldrich、Spectrochem和Agnitio Pharma购买，无需进一步纯化即可使用。反应在Lab Guard通风橱中进行。薄层色谱（TLC）用于在硅胶涂层铝板上监测反应结果，并在紫外光下观察。使用DNP（2,4-二硝基苯肼）等染色剂来可视化醛类等特定官能团。化合物通过柱层析法进行纯化

CRediT作者贡献声明

Dheeraj Pandey：撰写初稿、实验研究、数据分析。Jasleen Kaur：实验研究、数据分析。Saba Naqvi：撰写、审稿与编辑、监督工作。Abha Sharma：撰写、审稿与编辑、监督工作、资金争取、概念构思。

未引用的参考文献

[56]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢印度国家制药教育与研究学院（NIPER）-Raebareli以及印度化学与化肥部制药系提供的财务支持、实验设施、动物房等资源，使得本研究得以顺利完成。NIPER-R通信编号：