咔唑近红外荧光探针可视化线粒体及体内成像应用

doi:10.7503/cjcu20230367

摘要/Abstract

摘要：

基于咔唑骨架合成了一系列具有大Stokes位移的近红外荧光探针(化合物6g~6j), 并通过高分辨质谱和核磁共振波谱进行了结构表征. 探针的理化性质及光学测试结果显示, 探针6j在水溶液中发射波长达 668 nm, 且具有大Stokes位移(146 nm)和高荧光量子产率(Φ=0.45). 将探针6j应用于细胞内成像, 表现出良好的线粒体靶向能力(P=0.90). 此外, 该探针能对裸鼠卵巢癌移植瘤组织进行荧光成像, 为临床上肿瘤的精准诊断提供了新策略.

关键词: 咔唑, 近红外, 线粒体, 荧光成像

Abstract:

A series of near-infrared fluorescence probes（6g—6j） with large Stokes shift was synthesized based on carbazole skeleton and characterized by high resolution mass spectrometry（HRMS） and nuclear magnetic resonance spectroscopy（NMRS）. The physicochemical and optical properties of the probe show that probe 6j has a wavelength of 668 nm in aqueous solution， a large Stokes shift（146 nm） and a high fluorescence quantum yield（Φ=0.45）. The probe 6j was applied to intracellular imaging， and showed an excellent mitochondrial targeting ability（P=0.90）. In addition， the probe can fluoresce image in transplanted ovarian cancer tissues of nude mice， providing a new strategy for accurate diagnosis of tumors in clinical practice.

Key words: Carbazole, Near-infrared, Mitochondria, Fluorescence imaging

中图分类号:

O657

TrendMD:

顾亚琴, 丁劲峰, 陈金娥, 谢文娜, 肖林霞. 咔唑近红外荧光探针可视化线粒体及体内成像应用. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230367.

GU Yaqin, DING Jinfeng, CHEN Jine, XIE Wenna, XIAO Linxia. Visualization of Mitochondria via Carbazole Near-infrared Fluorescent Probe and in vivo Imaging Application. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230367.

图/表 8

Table 1 Photophysical properties of carbazole derivatives in different solvents

Compound	R₂	Solvent	λ_ex/nm	λ_em/nm	Stokes shift	Φ^a	τ/ns
6a	CH₃	MeOH	495	603	108	0.24	0.44
		H₂O	482	593	111	0.12
		MeCN	489	599	110	0.23
6b	Ph	MeOH	488	592	104	0.32	0.57
		H₂O	475	582	107	0.21
		MeCN	479	595	116	0.29
6c	CH₃	MeOH	505	610	105	0.34	0.39
		H₂O	494	597	103	0.24
		MeCN	500	607	107	0.30
6d	Ph	MeOH	504	606	102	0.36	0.61
		H₂O	489	598	109	0.28
		MeCN	489	602	113	0.33
6e	CH₃	MeOH	436	592	156	0.41	0.21
		H₂O	419	585	166	0.21
		MeCN	431	596	165	0.38
6f	Ph	MeOH	433	591	158	0.46	0.31
		H₂O	414	588	174	0.33
		MeCN	426	591	165	0.41
6g	CH₃	MeOH	487	665	178	0.46	0.57
		H₂O	454	655	201	0.24
		MeCN	482	662	180	0.40
6h	Ph	MeOH	485	664	179	0.44	0.43
		H₂O	455	654	199	0.22
		MeCN	475	669	194	0.38
6i	CH₃	MeOH	545	684	139	0.41	0.72
		H₂O	520	672	152	0.40
		MeCN	554	680	126	0.34
6j	Ph	MeOH	539	683	144	0.48	0.48
		H₂O	522	668	146	0.45
		MeCN	548	684	136	0.37

Fig.1 Normalized absorbance and emission spectra of probes 6g—6j(A—D) in different solvents

Fig.2 Optical and physiological stability of different probes

Fig.3 Cytotoxicity of probes

Fig.4 Normal and HeLa cell uptake capacity in vitro

Fig.5 Colocalization assay of probe and commercial reagents

Fig.6 Performance of probe 6j in mitochondrial membrane potential(A) HeLa cells incubated with 6j and Mito-Tracker Green after pre-treating with or without CCCP for 30 min; (B) fluorescence intensity quantitative analysis of 6j and Mito-Tracker Green in HeLa cell.

Fig.7 Real⁃time in vivo fluorescence imaging of mice and isolated major organs(A) In vivo fluorescence imaging of subcutaneous tumor-bearing nude mice model after intravenous injection of 6j(A); (B) quantified fluorescence intensity in the tumor tissue; (C) fluorescence imaging of dissected solid tumor and organs; (D) quantified average fluorescence intensity in tumor tissue and major organs. * P<0.05, ** P<0.01(n=3).

参考文献 31

1	Guo R.， Yin J.， Ma Y.， Wang Q.， Lin W.， J. Mater. Chem. B， 2018， 6（18）， 2894—2900
2	Guigas G.， Kalla C.， Weiss M.， Biophys. J.， 2007， 93（1）， 316—323
3	Li X.， Kim J.， Yoon J.， Chen X.， Adv. Mater.， 2017， 29（23）， 1606857
4	Yakes F. M.， Van H. B.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 1997， 94（2）， 514—519
5	Chen Y.， Yang F.， Chu Y.， Yun Z.， Yan Y.， Jin J.， J. Transl. Med.， 2022， 20（1）， 483—501
6	Casuso R. A.， Huertas J. R.， Ageing Res. Rev.， 2020， 58， 101025
7	Jang Y. H.， Ahn S. R.， Shim J. Y.， Lim K. I.， Pharmaceutics， 2021， 13（6）， 810—830
8	Mayevsky A.， Barbiro⁃Michaely E.， J. Clin. Monit. Comput.， 2013， 27（1）， 1—34
9	Freidus L. G.， Pradeep P.， Kumar P.， Choonara Y. E.， Pillay V.， Drug Discov. Today， 2018， 23（1）， 115—133
10	Hernandez J. C.， Flores C. R.， Jimenez S. A.， Chem. Commun.， 2021， 57（45）， 5526—5529
11	Flores⁃Cruz R.， Jimenez⁃Sanchez A.， Chem. Commun.， 2018， 54（99）， 13997—14000
12	Shen F.， Yang W.， Cui J.， Anal. Chem.， 2021， 93（40）， 13417—13420
13	Li X.， Hu Y.， Li X.， Ma H.， Anal. Chem.， 2019， 91（17）， 11409—11416
14	Li X.， Li X.， Ma H.， Chem. Sci.， 2019， 11（6）， 1617—1622
15	Karaman O.， Almammadov T.， Emre G. M.， ChemMedChem.， 2019， 14（22）， 1879—1886
16	Zhang J.， Bao X.， Zhou J.， Peng F.， Ren H.， Dong X.， Biosens. Bioelectron.， 2016， 85， 164—170
17	Zhu Y.， Kong L.， Yang J. X.， Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc.， 2023， 290， 122208
18	Takahashi S.， Hanaoka K.， Okubo Y.， Chem. Asian J.， 2020， 15（4）， 524—530
19	Zhang S.， Wu T.， Fan J.， Org. Biomol. Chem.， 2013， 11（4）， 555—558
20	Yu Q. Q.， Wang M. Q.， Bioorg. Med. Chem.， 2020， 28（17）， 115641
21	Sarkar A. R.， Heo C. H.， Xu L.， Chem. Sci.， 2016， 7（1）， 766—773
22	Cardoso D. S. M.， Colin I.， Ribeiro D. S. G.， Susumu K.， Demarque M.， Medintz I. L.， Hildebrandt N.， Adv Mater.， 2020， 32（39）， e2003912
23	Zhang C.， Yin X.， Guo Y.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2022， 24（31）， 18896—18904
24	Cao D.， Yu J.， Zeng H.， Li C. J.， J. Agric. Food Chem.， 2020， 68（46）， 13200—13205
25	Banerjee A.， Guin A.， Saha S.， Mondal A.， Maji M. S.， Org. Biomol. Chem.， 2019， 17（7）， 1822—1826
26	Liu X.， Liu H.， Jia P. F.， Zhang B.， Wang J. J.， Zhao N.， Zhang Y. H.， Yu X. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2009， 30（3）， 465—467
	刘鑫，刘恒，贾鹏飞，张波，王军杰，赵宁，张元红，于晓强. 高等学校化学学报， 2009， 30（3）， 465—467
27	Jiang N.， Fan J. L.， Zhang S.， Peng X. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2014， 35（12）， 2534—2541
	姜娜，樊江莉，张帅，彭孝军. 高等学校化学学报， 2014， 35（12）， 2534—2541
28	Cheng X.， Feng D.， Lv J.， Cui X.， Wang Y.， Wang Q.， Zhang L.， Cancers， 2023， 15（3）， 666
29	Yu H.， Li J. M.， Deng K.， Zhou W.， Wang C. X.， Wang Q.， Li K. H.， Zhao H. Y.， Huang S. W.， Theranostics， 2019， 9（23）， 7033—7050.
30	Zhang K.， Fu J.， Liu X.， Guo Y.， Han M.， Liu M.， Wang X.， Pharmaceutics， 2023， 15（2）， 7033—7050
31	Song H.， Xing W.， Shi X.， Zhang T.， Lou H.， Fan P.， Bioorg. Med. Chem.， 2021， 50， 116466

[1]	刘玲, 姬发, 余林玲, 孙彦. 高效黏膜穿透的近红外光驱动的黏惰性纳米马达[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20220759.
[2]	王岩, 蔡文生, 邵学广. 近红外光谱用于低共熔溶剂中水结构的分析[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230017.
[3]	常丽颖, 凌鑫宇, 陈和祺, 王雪, 刘涛. 基因编辑在线粒体疾病中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(3): 20220363.
[4]	王霄靖, 刘艺霞, 李阳, 杨陈宗, 冯敏强, 樊健. 基于四氰基受体单元的高效近红外热激活延迟荧光[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 27.
[5]	陈尚钰, 沈清明, 孙鹏飞, 范曲立. 小分子基温敏聚合物纳米粒子的制备及在近红外二区荧光成像与光热治疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220392.
[6]	汪诗琪, 罗博文, 俞计成, 顾臻. 近红外二区活体荧光成像在肿瘤诊疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220577.
[7]	赵雪琪, 赵越, 薛静, 白敏, 陈锋, 孙颖, 宋大千, 赵永席. 单细胞核酸编码扩增成像分析[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220572.
[8]	张钤, 刘雅薇, 王帆, 刘凯, 张洪杰. 稀土纳米材料在高分辨活体成像及诊疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220552.
[9]	常通航, 程震. 整合荧光成像和化疗的有机小分子诊疗探针的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220430.
[10]	马小飞, 胡山, 李俊彬, 杨盛, 谌委菊, 卿志和, 周怡波, 杨荣华. 细胞内源性分子辅助荧光信号放大策略及细胞成像[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220320.
[11]	伍泽鑫, 朱渊杰, 王泓中, 王均安, 贺英. 甲基修饰的咔唑/二苯砜基AIE-TADF蓝光材料及其OLED器件[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220371.
[12]	刘苗, 刘瑞波, 刘巴蒂, 钱鹰. 溶酶体靶向吲哚氟硼二吡咯光敏剂的合成、双光子荧光成像及光动力治疗[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220326.
[13]	周洁琼, 黄艳, 张志凌, 庞代文, 田智全. 水溶性近红外Ⅱ区荧光Ag₂Te量子点的合成[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2072.
[14]	陆峰, 贡祎, 赵婷, 赵宁, 琚雯雯, 范曲立, 黄维. 二元混合表面活性剂用于窄吸收金纳米棒的无种子合成[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 700.
[15]	陈宏达, 张婳, 王振新. 用于小动物活体的荧光-光热双模成像系统[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 725.