《Sensors and Actuators B: Chemical》：Construction of a Tb3?-induced DNA self-assembled fluorescent sensor for the visual detection of nitrogen mustard compounds
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作者：Zhe Sun | 洪荣茂 | 年炳莉 | 洪群罗
教育部重点实验室（发光分析与分子传感），西南大学化学与化学工程学院，中国重庆400715
摘要
鉴于氮芥（NM）化合物通过DNA烷基化引发细胞死亡，这是许多化疗药物的活性成分，因此对其进行可靠监测非常重要。因此，精确量
作者：Zhe Sun | 洪荣茂 | 年炳莉 | 洪群罗
教育部重点实验室（发光分析与分子传感），西南大学化学与化学工程学院，中国重庆400715
摘要
鉴于氮芥（NM）化合物通过DNA烷基化引发细胞死亡，这是许多化疗药物的活性成分，因此对其进行可靠监测非常重要。因此，精确量化NM对于理解药代动力学和推进抗癌药物发现至关重要。本文重点在于构建一种简便、无需标记且能自我组装的Tb3?/C-myc荧光传感器用于NM检测。在该设计中，Tb3?主要作为结构组织者，驱动C-myc自我组装成G四链结构。同时，它还作为荧光中心，在鸟嘌呤的敏化作用下通过天线效应发出强烈的绿色荧光。值得注意的是，这种传感策略受到特定烷基化反应的调控。NM的存在会导致鸟嘌呤N7位置的特异性烷基化，这是Tb3?配位的关键位点。这种烷基化会破坏配体到金属的能量传递途径，从而产生敏感的“信号关闭”荧光（检测限为0.62 nM）。为了实现智能手机集成可视化检测，采用了灰度强度分析方法，以规避荧光淬灭过程中RGB转换带来的颜色失真。通过将DNA的可编程性与镧系元素的固有荧光相结合，这一自组装平台能够在人血清中选择性地检测NM，为阐明抗癌剂的代谢途径提供了可靠的工具。
引言
癌症对人类健康构成了持续且严峻的威胁，通常通过破坏细胞过程的微妙平衡而隐匿地发展。这种失调会导致组织和器官功能衰竭，最终危及人类生命。数十年的专注研究在癌症的预防、诊断、治疗和预后方面取得了重要进展[1]。传统的癌症治疗方法包括手术、放疗和化疗，其中化疗因其显著的疗效而成为不可或缺的选择[2]。一类具有重要治疗意义的化疗药物是氮芥（NM）化合物，它们通过DNA烷基化发挥作用[3] [4]。氮芥的高电负性使其能够轻易地诱导DNA烷基化，主要针对细胞DNA中的鸟嘌呤碱基N7位点[5] [6]。这种电负性攻击导致氮芥与鸟嘌呤共价结合，随后第二个鸟嘌呤的烷基化可能导致链间或链内交联[7] [8] [9]，这是氮芥细胞毒性作用的关键所在。因此，氮芥衍生物仍然是寻找改进抗癌药物的焦点。临床常用的化疗药物，如环磷酰胺和异环磷酰胺，在肿瘤内代谢激活后生成活性氮芥物质，从而发挥其细胞毒性作用[10]。因此，快速准确地检测氮芥对于准确评估其体内代谢途径、监测治疗效果以及指导下一代抗癌药物的合理设计和开发至关重要。
荧光检测结合了高灵敏度和易用性，成为定量分析的强大工具。因此，设计用于氮芥的荧光传感器越来越受到关注，这有助于新氮芥衍生抗癌药物的开发以及潜在风险的评估。目前的方法主要依赖于小分子荧光探针[11]。例如，Feng等人报道了一种双位点探针，结合了o-羟基硫酮和7-氨基喹啉，能够区分氮芥气体和光气[12]。同样，Song的研究团队引入了一种基于4-巯基香豆素的探针，可快速、灵敏地检测溶液和气相中的芥子类化合物[13]。尽管取得了这些进展，但仍存在一个共同的限制：即依赖于复杂的探针设计和复杂的化学合成过程。
镧系离子（Ln3?，例如Tb3?和Eu3?）为设计荧光传感器提供了吸引人的替代方案[14] [15]。然而，它们的直接应用常常受到由于禁戒f-f跃迁导致的低发光效率的阻碍[16]。这个问题可以通过利用“天线效应”来解决，即配体介导能量传递给金属离子[17]。核酸是实现这一目的的理想支架，因为它们的磷酸骨架对Ln3?具有高结合亲和力[16] [18]。在核碱基中，鸟嘌呤单核苷酸磷酸（GMP）尤其值得注意[19]。其三重态能量与Tb3?的共振水平非常契合，从而实现高效的敏化[20] [21]。例如，之前报道了一种由GMP和Tb3?构成的无限循环聚合物，其中GMP作为高效的天线配体，用于区分多种抗生素的特征荧光[22]。虽然Tb3?与GMP形成发光聚合物的配位已有详细记录，但富含G的单链DNA（ssDNA）的潜力仍然很大程度上未被探索。与游离核苷酸不同，合成DNA具有序列可编程性，使得能够精确设计传感和转导域[23] [24]。因此，将富含G的ssDNA序列的敏化能力与DNA的识别特性相结合，为设计基于Ln3?的荧光传感器提供了独特且未探索的途径，特别是对于能够与核碱基特异性相互作用的分析物而言。
考虑到氮芥通常会在鸟嘌呤的N7位置引发烷基化损伤，我们使用富含G的C-myc序列作为模型，构建了一种Tb3?诱导的DNA自组装荧光传感器（Tb3?/C-myc）。该设计利用了氮芥对鸟嘌呤的特异性烷基化以及Tb3?与富含G的DNA序列之间的天线效应。如图1所示，Tb3?促使C-myc序列折叠成G四链结构，通过高效的配体到金属能量传递引发强烈的特征绿色荧光。当暴露于氮芥时，氮芥与鸟嘌呤N7位置的结合会阻碍鸟嘌呤与Tb3?的配位，从而阻断能量传递途径，导致荧光显著减弱。因此，这种“信号关闭”策略允许对氮芥进行视觉和荧光定量分析，并适用于复杂生物基质（如人血清）中的分析。最终，这项研究为设计无标记的Ln3?-DNA传感平台提供了一种多功能策略，在临床诊断和毒理学分析中具有广阔的应用潜力。
节片段
实验部分
试剂和仪器清单以及实际样品分析均见支持材料。DNA序列列于表S1中。
Tb3?/C-myc探针的光谱表征
天然核碱基对Ln3?的敏化是一个重大挑战，因为大多数Ln3?的发光强度很弱或可忽略不计。Tb3?是一个显著的例外，其发光效率严格受特定碱基序列和二级结构的调控[24]。这一特异性在图1A中得到了清晰体现。只有富含G的ssDNA能够显著增强荧光（Fl），而富含A、T和C的链则没有反应。这种特异性敏化源于
结论
总之，本文提出了一种基于Tb3?诱导的DNA自组装荧光传感器（Tb3?/C-myc）用于氮芥检测。Tb3?/C-myc探针通过Tb3?的双重作用发挥作用：Tb3?与鸟嘌呤碱基配位，通过天线效应增强其自身的荧光；同时，氮芥会竞争性地烷基化鸟嘌呤的N7位置，从而抑制Tb3?的配位并阻断配体到金属的能量传递，导致荧光减弱。
CRediT作者贡献声明
洪荣茂：实验研究、数据管理。Zhe Sun：初稿撰写、软件开发、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。年炳莉：资源调配、项目管理、资金获取、概念构思。洪群罗：修订与编辑、项目监督、方法学设计、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能导致影响本文工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号21675131）和重庆市自然科学基金（编号cstc2020jcyj-zdxmX0003, CSTB2023NSCQ-MSX0924）的支持。
Zhe Sun于2024年在中国西南大学获得分析化学博士学位。她目前在中国河北大学化学与材料科学学院担任讲师。她的主要研究兴趣是光谱化学和生物传感器。
