Rhodamine Fluorescent Probe for Tumor Targeted Hypoxia-imaging as Intra-operative Navigators

doi:10.7503/cjcu20210316

Abstract

Abstract:

Determination of tumor boundary during surgery has a great significance to achieving precise resection. The level of tumor hypoxia is closely related to the local concentration of reducing substances such as azobenzene reductases（azoreductases， AzoR， an important class of biocatalysts in solid tumor）， AzoR is able to reduce the nitrogen double bond（—N=N—） of azobenzene compounds to generate anilines. Therefore， the characterization might serve as optical AzoR probe during image-guided surgery， which exhibits wide range of application prospects in biomedicine field. In order to obtain a probe for tumor hypoxia fluorescence image-guided surgery with good targeting， low toxicity， good biocompatibility and high specificity， based on the molecular cleavage of azobenzene induced by azoreductase hypoxia and the good fluorescence performance of rhodamine， an “Off-On” type tumor with a specific response to near-infrared azohypoxia was prepared and characterized by chemical coupling. Then we confirmed its fluorescence “Off-On” performance and response mechanism from the molecular level； at the level of L02， 4T1， HeLa， and A549 tumor cells， the toxicity of the tested cell lines and the imaging performance on different hypoxia periods was also investigated. Next， 4T1 tumor model was further constructed， and the performance of tumor in situ injection and tail vein injection fluorescence imaging were studied respectively. Furthermore， the performance of fluorescence imaging-mediated surgery of tumors was further explored. On this basis， the biological safety performance was investigated. The results show that this rhodamine azo probe has high target-specific tumor hypoxia responsiveness and excellent fluorescence imaging-mediated tumor surgery potential， combined with its good photophysical properties， controlled administration time， and biological security， which is expected to provide new research tools for biomedical fluorescence imaging-mediated tumor resection.

Key words: Hypoxia probe, Azoreductase, Fluorescence image, Rhodamine derivatives, Imaging-mediated tumor resection

CLC Number:

O657

TrendMD:

WANG Mengmeng, LUAN Tianjiao, YANG Mingyan, LYU Jiajia, GAO Jie, LI Hongyu, WEI Gang, YUAN Zeli. Rhodamine Fluorescent Probe for Tumor Targeted Hypoxia-imaging as Intra-operative Navigators[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3071.

Figures/Tables 7

References 36

1	Liu D. D.， Luo. L.， Cui Y. Y.， Chin. J. Clin. Oncol.， 2020， 6， 318（刘丹丹，罗林，崔永言. 中国肿瘤临床， 2020， 6， 318—321）
2	Liu J. N.， Bu W. B.， Shi J. L.， Chem. Rev.， 2017， 117， 6160—6224
3	Shao W.， Lee J. Y.， Li F. Y.， Ling D. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（11）， 2356—2382（邵伟， LEE Jiyoung，李方园，凌代舜. 高等学校化学学报， 2020， 41（11）， 2356—2382）
4	Li H. D.， Kim D.， Yao Q. C.， Ge H. Y.， Chung J.， Fan J. L.， Wang J. Y.， Peng X. J.， Yoon J. Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（32）， 17268—17289
5	Benavente S.， Sánchez⁃García A.， Naches S.， Lleonart M. E.， Lorente J.， Front. Oncol， 2020， 10， 2169
6	Zhang X.， Ding B. B.， Qu C. R.， Li H. L.， Sun Y.， Gai Y. K.， Chen H.， Fang H. Y.， Qian K.， Zhang Y. X.， Cheng Z.， Lan X. L.， Mol. Oncol.， 2020， 14（5）， 1089—1100
7	Zhang X.， Liu C. B.， Hu F.， Zhang Y. Y.， Wang J.， Gao Y. H.， Jiang Y. Q.， Zhang Y. X.， Lan X. L.， Mol. Pharmaceutics， 2018， 15， 609—618
8	Wu C. F.， Zhang R.， Du W.， Cheng L.， Liang G. L.， Nano Lett.， 2018， 18， 7749—7754
9	Tian R.， Ma H. L.， Zhu S. J.， Lau J.， Ma R.， Liu Y. J.， Lin L. S.， Chandra S.， Wang S.， Zhu X. F.， Deng H. Z.， Niu G.， Zhang M. X.， Antaris A. L.， Hettie K. S.， Yang B.， Liang Y. Y.， Chen X. Y.， Adv. Mater.， 2020， 1907365
10	Duan W. J.， Yue Q.， Liu Y.， Zhang Y. F.， Guo Q. H.， Wang C.， Yin S. J.， Fan D. D.， Xu W. J.， Zhuang J. X.， Gong J. C.， Li X. W.， Huang R. M.， Chen L.， Aime S.， Wang Z. L.， Feng J. F.， Mao Y.， Zhang X. Y.， Li C.， Chem. Sci.， 2020， 11， 4397—4402
11	Suo X. P.， Tian Y. H.， Zhang K. M.， Chin. J. Min. Inv. Surg.， 2020， 20（5）， 455—462（索晓鹏，田远虎，张克明. 中国微创外科杂志， 2020， 20（5）， 455—462）
12	Liu W. B.， Zhang J. Y.， Bao J. W.， Liu Z.， J. Prac. Hepatol.， 2019， 22， 573—576（刘文博，张建业，保积武，刘震. 实用肝脏病杂志， 2019， 22， 573—576）
13	Guan B. Y.， Yang G. J.， Liu T. X.， J. J. Lapa. Surg.， 2020， 12， 919—924（关斌颖，杨国际，刘天锡. 腹腔镜外科杂志， 2020， 12， 919—924）
14	Wang C. C.， Du W.， Zhang T.， Liang G. L.， Anal. Chem.， 2020， 92， 15275—15279
15	Du X. C.， Wang W. J.， Wu C.， Jia B. Q.， Li W. F.， Qiu L.， Jiang P. J.， Wang J. H.， Li Y. Q.， J. Mater. Chem. B， 2020， 8， 7403—7412
16	Zhu H. T. Z.， Li Q.， Shi B. B.， Ge F. J.， Liu Y. Z.， Mao Z. W.， Zhu H.， Wang S.， Yu G. C.， Huang F. H.， Stang P. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（45）， 20208—20214
17	Meng Q.， Xie B.， Ma X.， Hu Z.， Zhou F.， Zhou H.， Dong C.， Chem. Commun.， 2020， 56（72）， 10493—10496
18	Huang C. X.， Tan W. L.， Zheng J.， Zhu C.， Huo J.， Yang R. H.， ACS. Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（29）， 25740—25749
19	Tian Y.， Li Y. F.， Wang W. X.， Jiang W. L.， Fei J. J.， Li C. Y.， Anal. Chem.， 2020， 92（6）， 4244—4250
20	Wu Y. X.， Zhang H. Y.， Liu Y.， Progress Chem.， 2021， 33（3）， 331—340（吴云雪，张衡益，刘育. 化学进展， 2021， 33（3）， 331—340）
21	Liu S. K.， Zhou C. Y.， Du J. H.， Gao J. G.， Zhou J.， Chin. J. Anal. Chem.， 2013， 41（5）， 732—737（刘士坤，周春燕，杜建华，高吉刚，周杰. 分析化学， 2013， 41（5）， 732—737）
22	Qu X. F.， Yuan F. M.， He Z. Q.， Mai Y. H.， Gao J. M.， Li X. M.， Yang D. Z.， Cao Y. P.， Li X. F.， Yuan Z. L.， Dyes and Pigments， 2019， 166， 72—83
23	Qu X. F.， Cao Y. P.， Wu Q.， Hu Q. H.， Yuan Z. L.， Chin. J. Appl. Chem.， 2018， 35， 1317—1324（屈小芳，曹亚萍，吴庆，胡庆红，袁泽利. 应用化学， 2018， 35， 1317—1324）
24	Wan Y. C.， Li Y. H.， Liao Z. P.， Tang Z. L.， Li Y.， Zhao Y. H.， Xiong B.， Spectrochim. Acta A： Mol. Biomol. Spectro.， 2019， 223， 117265—117271
25	Ren T. B.， Xu W.， Jin F. P.， Cheng D.， Zhang L. L.， Yuan L.， Zhang X. B.， Anal. Chem.， 2017， 89， 11427—11434
26	Cao Y. P.， Wu Q.， Hu Q. H.， Yu G. Q.， Yuan Z. L.， Chin. J. Anal. Chem.， 2019， 49（1）， 38—48（曹亚萍，吴庆，胡庆红，余光勤，袁泽利. 分析化学， 2019， 49（1）， 38—48）
27	Yan F. Y.， Syntheses and Characterization of Rhodamine Derivatives， Tianjin University， Tianjin， 2006（颜范勇. 罗丹明类衍生物的合成及表征，天津：天津大学， 2006）
28	Pople J. A.， Gill P. M. W.， Johnson B. G.， Chem. Phys. Lett.， 1992， 199， 557—560
29	Petersson G. A.， Bennett A.， Tensfeldt T. G.， Al⁃Laham M. A.， Shirley W. A.， Mantzaris J.， J. Chem. Phys.， 1988， 89， 2193—2198
30	Setiawan D.， Kazaryan A.， Martoprawiro M. A.， Filatov M.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2010， 12， 11238—11244
31	Thorat K. G.， Kamble P.， Ray A. K.， Sekar N.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2015， 17， 17221—17236
32	Sun M. D.， Guo J.， Yang Q. B.， Xiao N.， Li Y. X.， J. Mater. Chem. B， 2014， 2， 1846—1851
33	Hu M. X.， Yang C.， Luo Y.， Fan C.， Yang F. F.， Yang S. P.， Chen H.， Cheng Z. Q.， Li K.， Xi Y. M.， J. Mater. Chem. B， 2018， 6， 2413—2416
34	Yuan J.， Peng R.， Su D. D.， Zhang X. X.， Zhao H. P.， Zhuang X. J.， Chen M.， Zhang X. B.， Yuan L.， Theranostics， 2021， 11（7）， 3502—3511
35	Tian Y.， Li Y. F.， Jiang W. L.， Zhou D. Y.， Fei J. J.， Li C. Y.， Anal. Chem.， 2019， 91（16）， 10901—10907
36	Mai Y. H.， Qu X. F.， Ding S. L.， Lv J. J.， Li X. M.， Gao P. Y.， Liu Y.， Yuan Z. L.， Dyes and Pigments， 2020， 177， 107979

[1]	WANG Bing-Shuai, WANG Li, WU Tong, YANG Zhi-Gang, PENG Xiao-Jun*. Synthesis of pH Probe Based on Styrylcyanine Dyes and Fluorescence Image in Live Cell [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(6): 1148.
[2]	HUANG Cheng-Zhi, LI Yuan-Fang . Ordered Ring Assembly of Cadmium-Calcein Complex Directed Under the Capillary Flow on the Glass Slide Supports and Its Digitalized Fluorescence Image Analysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2002, 23(6): 1038.
[3]	MEI Er-Wen, GU Wen-Fang, CHEN Guan-Quan, ZENG Yun-E. Hadamard Tsansform Microscope Image Analysis(Ⅱ)─Study on the Effect of Fluorescence Bleach on Image and Quantitative Data [J]. Chem. J. Chinese Universities, 1995, 16(8): 1191.