合理的氟化策略开发出一种超灵敏的铜(II)荧光探针，可用于动态监测帕金森病患者体内的铜代谢情况以及农作物中含铜农药的残留情况

《Journal of Hazardous Materials》：Rational fluorination strategy enables an ultrasensitive copper (II) fluorescent probe for dynamically monitoring copper metabolism in Parkinson's disease and copper-based pesticide residues in crops

设计并合成新型氟化小分子荧光探针F-DCI-Cu(II)，实现铜离子高灵敏度检测（2.06nM），兼具血脑屏障穿透能力与环境监测应用，适用于帕金森病模型和真实环境样本的快速检测。

　　

张龙|吴汉斌|黄忠喜|王学伟|陈振新|马志涵|朱林杰|张成武|张迪|于长敏

中国南京工业大学柔性电子学院（未来技术）先进材料研究所（LoFE）与柔性电子国家重点实验室，南京211816

摘要

铜(II)（Cu²⁺）是一种不可或缺的微量元素，但其平衡被打破时会对人类健康和生态系统构成重大风险——这体现在神经退行性疾病以及含铜农药造成的环境污染中。现有的检测方法在实时分析、生物相容性或现场应用方面往往存在不足。为克服这些限制，我们设计了一种小分子荧光探针^{FDCI-Cu(II)，该探针能够在生物和环境环境中实现特异性、高灵敏度和多功能性的Cu2+检测。其智能结构结合了氟修饰的二氰异佛尔酮荧光团，以增强血脑屏障（BBB）穿透性和体内稳定性，并使用2-吡啶酸螯合剂来高效识别铜离子。氟原子的引入不仅促进了探针在脑组织中的吸收，还提升了整体反应动力学，从而实现了快速响应和超灵敏的检测（检测限为2.06 nM）。在MPTP诱导的帕金森病小鼠模型中的实验验证表明，该探针具有优异的BBB穿透性和选择性铜离子可视化能力。除了生物成像应用外，FDCI-Cu(II)在复杂的环境和农业样本中也表现出色，能够准确量化实际样品中的Cu2+，例如玄武湖水和活体作物中的铜含量，并成功从有机农药复合物（如铜喹啉酸盐）中分离出铜离子。此外，将其集成到即时检测（POCT）格式中可实现快速现场监测。这项工作展示了FDCI-Cu(II)作为连接神经科学研究和环境监测的统一分子工具的潜力，具备实时检测能力，并在脑组织和农业/环境样本中均表现出良好的适用性。}

引言

铜(II)（Cu²⁺）是第三丰富的过渡元素，参与多种基本生理过程，包括氧化还原调节、能量代谢和信号转导。[1], [2], [3], [4] 虽然铜对维持正常神经功能至关重要，但其失衡与神经退行性疾病的发病机制密切相关，尤其是帕金森病（PD）。[5], [6], [7], [8] 脑内Cu²⁺水平升高会促进α-突触核蛋白聚集，并通过芬顿反应加剧氧化应激，导致多巴胺能神经元损伤和疾病进展。[9], [10] 这些发现强调了实时、无创监测脑内Cu²⁺对于帕金森病早期诊断和干预的重要性。

除了生物医学意义外，铜基杀菌剂在农业中的广泛使用也导致了显著的环境污染。[11], [12] Cu²⁺径流会污染水生系统并损害土壤健康，进而影响作物质量和生态系统完整性。[13], [14], [15], [16], [17] 需要指出的是，人体内铜平衡的精确调节对于维持神经功能至关重要，而脑内铜代谢的紊乱已被证实与帕金森病等神经退行性疾病的发病和进展密切相关。[18], [19] 尽管饮食中的铜与帕金森病进展之间的直接因果关系仍需进一步验证，但外源性可利用铜的暴露水平（包括通过饮食摄入的铜）是评估和管理相关疾病风险的重要因素。因此，迫切需要开发可靠的现场检测方法来监测环境中的Cu²⁺，这对于环境健康监测和潜在健康风险的早期预警至关重要。

鉴于铜在神经健康和环境毒性方面具有双重作用，开发灵敏可靠的Cu²⁺检测方法仍然是一个关键需求。传统的铜分析技术（如电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和原子吸收光谱法（AAS）可以准确量化总铜含量。[20], [21], [22] 然而，这些方法需要复杂的样品处理过程、先进的实验室设施和熟练的操作，因此不适合实时、原位或现场应用。更重要的是，这些方法是在破坏样品基质后测量总铜含量，无法区分在生物信号传导和生态毒性评估中起关键作用的活性Cu²⁺部分。荧光探针作为一种有前景的替代方案，具有高时空分辨率、低侵入性、快速响应和实时成像潜力。[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34] 到目前为止，已经开发出基于两种不同传感机制的Cu²⁺敏感荧光探针：基于结合的探针和基于活性的探针。基于结合的探针通常使用含N和O的配体（如多胺、菲咯啉），这些配体对Cu²⁺具有高亲和力。与Cu²⁺的结合会诱导共轭荧光团（如罗丹明或荧光素）的结构或电子变化，从而调节荧光信号。然而，螯合过程具有可逆性，这可能限制探针的灵敏度、稳定性和信噪比，尤其是在存在竞争性结合的复杂生理环境中。相比之下，基于活性的探针通过不可逆的反应机制发挥作用。在这些设计中，特定的识别基团（通常是酯或酰胺衍生物）在Cu²⁺的作用下发生水解，释放或转化荧光团并引发荧光响应。对于这类探针，高性能的关键在于Cu²⁺的有效和特异性初始结合/激活，以触发随后的不可逆反应。常见的活性基团包括甲酰肼和酰胺衍生物。值得注意的是，2-吡啶酸（或其酯）部分已被证明是设计Cu²⁺响应探针的有效识别单元。[35], [36], [37] 这一选择基于其强吸电子特性，可以通过分子内电荷转移（ICT）机制有效抑制荧光团发射，并能与Cu²⁺形成稳定的五元螯合环。[36] Cu²⁺促进的吡啶酸酯水解是按化学计量进行的，生成游离的吡啶酸，后者与Cu²⁺紧密结合，稳定产物并推动反应平衡向有利方向发展。这种机制在特异性和信号放大方面具有优势。研究表明，含氟的卤素修饰二氰异佛尔酮（DCI）荧光团在监测帕金森病和阿尔茨海默病等神经退行性疾病相关生物标志物方面得到了广泛应用。引入卤素原子（尤其是氟）是一种公认的策略，可以增强分子探针的亲脂性和代谢稳定性，从而显著提高其穿越血脑屏障（BBB）的能力。[38], [39], [40] 尽管取得了这些进展，许多现有活性探针在复杂生物环境中的Cu²⁺结合能力和反应动力学仍不足，且许多探针缺乏穿越生物屏障（如BBB）所需的物理化学性质（如适当的亲脂性），使得脑内铜监测变得困难。

在这项研究中，我们合理设计了一种基于氟修饰策略的小分子荧光探针^{FDCI-Cu(II)，用于多功能Cu2+检测。该探针不仅增强了BBB穿透性（约提高1.5倍），还激活了反应中心，加快了不可逆检测动力学，实现了超低检测限（2.06 nM），从而实现了在体内、环境和农业监测中的跨场景应用。如图1所示，其分子结构包含氟修饰的DCI荧光团——这种设计不仅增强了血脑屏障（BBB）穿透性，还优化了Cu2+检测的反应动力学。具体而言，氟修饰调节了探针的电子性质，促进了酯键的水解，使得Cu2+结合时荧光团快速高效释放。基于Gaussian 16W和ADMET SAR 3.0平台的计算预测，FDCI-Cu(II)在帕金森病小鼠模型中表现出有效的BBB穿透性和高特异性Cu2+可视化能力。此外，FDCI-Cu(II)还成功用于检测含铜杀菌剂并量化水环境中的Cu2+污染，证实了其在神经成像和环境监测中的双重用途。}

合成过程

FDCI-Cu(II)的合成

详细的合成路线见图S1。中间体^{FDCI-OH是通过化合物1与3-氟-4-羟基苯甲醛的Knoevenagel缩合反应制备的。FDCI-OH与2-吡啶酸通过DCC/DMAP酯化反应生成FDCI-Cu(II)（产率为75%）。对照探针DCI-Cu(II)也是从DCI-OH和2-吡啶酸类似合成的（产率为59.7%）。所有化合物的结构均通过1H NMR、13C NMR和质谱法进行了完全表征。}

探针的设计与表征

探针^{FDCI-Cu(II)基于DCI荧光团核心设计。在苯环的meta位引入氟（F）原子，以增强BBB穿透性和体内稳定性。[41], [42], [43], [44] 从配位化学的角度来看，F原子的吸电子性质可以调节识别位点的电子密度，从而可能调节其对Cu2+的响应特性。}

结论

总之，我们开发了^{FDCI-Cu(II)，这是一种合理氟修饰的小分子荧光探针，可作为统一分子工具，用于在生物和环境基质中灵敏、特异性和实时检测可利用的Cu2+。其设计策略性地结合了氟原子和2-吡啶酸酯识别单元，既增强了BBB穿透性（Papp提高约1.5倍），又激活了反应中心，加快了不可逆反应的速度。}

环境影响

本研究开发了一种可用于现场监测环境和生物系统中铜污染的传感工具。^{FDCI-Cu(II)探针能够快速、现场检测水和作物中的铜离子，并可视化帕金森病模型中的脑铜失调情况。这种双重能力将环境监测与神经健康监测相结合，为评估生态风险提供了独特方法，同时提供了关于环境铜暴露影响的见解。}

伦理声明

本研究已获得南京工业大学动物管理和使用委员会的伦理批准（LL-20210310-01）。

作者贡献声明

张龙：撰写——原始草稿、方法学、实验设计、数据整理。于长敏：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金申请。陈振新：撰写——审稿与编辑、实验设计。王学伟：撰写——审稿与编辑、实验设计。黄忠喜：撰写——审稿与编辑、实验设计。吴汉斌：撰写——审稿与编辑、实验设计。张迪：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明与本研究无利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（62288102）、化学与生物传感国家重点实验室（湖南大学）开放资金、江苏省优秀博士后人才资助计划（2025ZB352）、江苏省癌症医院研究项目（XHQN202404）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_1712, KYCX25_1711, KYCX25_1709）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明与本研究无任何利益冲突。