一种基于ESIPT+ICT协同效应的双响应光敏探针，用于选择性检测CORM-3并进行光敏荧光成像

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：A dual-responsive photoactivatable probe based on ESIPT?+?ICT synergy for selective CORM-3 detection and photoactivatable fluorescence imaging

新型双响应光活化探针QVPB-pNB基于ESIPT和ICT机制，实现CORM-3高灵敏度检测及活细胞光控荧光成像，具有快速激活（80秒）、生理pH稳定性及抗干扰优势。

　　

周一聪|杨杰|康立勤|张华|吴晶晶|刘传祥

上海工业大学化学与环境工程学院，中国上海201418

摘要

开发具有优异稳定性和反应性的新型光激活探针或光笼，以应用于先进的生命科学领域，一直备受关注。本文报道了一种新型双响应光激活探针QVPB-pNB的设计、合成及其应用。该探针结合了激发态分子内质子转移（ESIPT）和分子内电荷转移（ICT）机制，能够高选择性检测三羰基氯（甘氨酸）钌（II）（CORM-3），并在活细胞中实现光激活荧光。该探针含有一个p-硝基苯基（p-NB）光笼，在610纳米的发射波长下可淬灭荧光。当暴露于365纳米紫外光或CORM-3时，光笼会迅速断裂，释放出具有橙色荧光的“光激活”荧光团QVPB-OH。QVPB-pNB表现出极高的灵敏度、快速的光激活时间（80秒）、对竞争性分析物的优异选择性，以及在生理pH条件下的稳定性能。我们成功证明了其在HeLa细胞中的光控荧光成像应用，展示了其在先进生物传感和超分辨率生物成像中的潜力。

引言

光激活探针和光笼[1]是一类智能光学材料，可通过外部触发因素（如光或特定分析物[2]、[3]）实现精确的荧光激活。这一特性显著减少了背景干扰，便于实时观察具有高选择性的亚细胞事件[4]、[5]、[6]、[7]。由于它们在动态蛋白质追踪[8]、光动力疗法[9]和超分辨率显微镜（SRM）[10]、[11]、[12]、[13]方面的独特能力，这些探针已成为先进化学、生物学和生物医学[14]、[15]中不可或缺的工具。

一氧化碳（CO）[16]是一种关键的内源性信号分子，在多种细胞过程中发挥着重要的调节作用[17]。它参与多种生理功能[18]，包括细胞保护[19]、抗炎反应[20]、抑制细菌和癌症生长[21]，以及提高器官移植后的存活率[22]。众所周知的CO释放分子三羰基氯（甘氨酸）钌（CORM-3）[23]被广泛用作CO供体，以克服直接使用气态CO在生理和病理生理过程研究中的实际限制。因此，开发新的方法来检测活细胞系统中的CORM-3——特别是基于荧光的方法——对于追踪CO波动和实现早期疾病诊断[24]至关重要。尽管已经基于响应单元（如硝基团[25]、[26]或烯丙基醚[27]、[28]（通过Pd⁰介导的Tsuji–Trost反应）开发了许多CORM-3荧光探针，但它们仍存在某些局限性（见表S1）。这些局限性包括较小的斯托克斯位移，或在检测过程中需要潜在的细胞毒性重金属离子（例如Pd²⁺、Fe³⁺）。据我们所知，目前尚未有报道能够同时检测CORM-3和实现光激活生物成像的单一分子系统。

大多数报道的光激活探针是通过将光激活荧光团与光不稳定的笼状结构结合而制备的，主要包括o-硝基苯基衍生物[29]、重氮酮[30]、[31]、硫羰基[32]、叠氮苯基基团[33]、四嗪[34]、肟[35]和2,3-二氢-1,4-氧硫杂环丁烷[5]等[36]、[37]。在光照射下，笼状结构被去除，释放出光激活荧光团并恢复荧光信号，其机制包括分子内电荷转移（ICT）或光诱导电子转移（PET）。基于先前报道的喹诺酮-乙烯基-2-(2-羟基苯基)苯并噻唑（HBT）骨架（QVPB-OH）[38]、[39]、[40]、[41]（作为荧光团），我们在QVPB-OH中引入了笼状结构（PPG-Br、p-硝基苯基或o-硝基苯基），以抑制其固有荧光。由此设计出了两种长波长的光笼探针QVPB-PPG (QVPB-pNB和QVPB-oNB，以及它们的短波长对照探针AQ-PPG（AQ-pNB和AQ-oNB，见图1）。优化的双响应光激活探针QVPB-pNB结合了激发态分子内质子转移（ESIPT）和ICT机制，能够高选择性检测CORM-3，并允许在活细胞中进行精确的光激活成像。该探针含有一个p-硝基苯基（p-NB）光笼，在610纳米的发射波长下可淬灭荧光。当暴露于365纳米紫外光或CORM-3时，光笼会迅速断裂，释放出具有橙色荧光的QVPB-OH。QVPB-pNB表现出极高的灵敏度、快速的光激活时间（80秒）、对竞争性分析物的优异选择性，以及在生理pH条件下的稳定性能。我们成功证明了其在HeLa细胞中的光控荧光成像应用，展示了其在先进生物传感和超分辨率生物成像中的潜力。

部分摘录

一般信息

所有溶剂和试剂均从商业供应商处购买，除非另有说明，否则无需进一步纯化即可使用。柱层析使用硅胶（200–300目）和乙酸乙酯与石油醚的混合物作为洗脱液进行。¹H NMR光谱在Bruker AVANCE III光谱仪上以400 MHz频率记录。高分辨率质谱（HRMS）在solanX 70 FT-MS光谱仪上获得。UV–vis光谱在SHIMADZU UV-1800分光光度计上测量。

探针QVPB-oNB和QVPB-pNB的合成路线

目标光激活探针AQ-oNB, AQ-pNB和QVPB-oNB, QVPB-pNB的制备方法如方案2所示。中间体AQ和QVPB-OH通过标准的Knoevenagel反应合成，随后进行环化引入2-(2’-羟基苯基)苯并噻唑（HBT）结构。然后对AQ和QVPB-OH中的羟基（OH）进一步官能化，分别引入o-硝基苯基（o-NB）或p-硝基苯基（p-NB）基团，得到相应的目标探针：AQ-oNB, AQ-pNB, QVPB-oNB, 和QVPB-pNB。

结论

在这项研究中，我们成功开发了一种新型的双响应光激活荧光探针QVPB-pNB，该探针基于ESIPT和ICT的协同机制，能够高选择性检测CORM-3并在活细胞中实现光激活荧光成像。该探针使用p-硝基苯基（p-NB）作为高效的光笼单元，通过双重淬灭机制抑制背景荧光。当暴露于365纳米紫外光或CORM-3时，笼状结构会发生断裂

CRediT作者贡献声明

周一聪：研究、数据整理。杨杰：形式分析、概念构思。康立勤：数据整理。张华：方法学研究。吴晶晶：指导、概念构思。刘传祥：撰写、审稿与编辑、指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。