姚惠文， 郭小峰， 王 紅*

(1.武漢大學化學與分子科學學院，湖北武漢 430072；2.湖北中醫(yī)藥大學藥學院，湖北武漢 430065)

1 引言

NO、CO和H2S是細胞內重要的三大氣體信號分子，在哺乳動物細胞中由酶催化合成產生，他們是具有獨特信號響應的內源性氣體信號分子，廣泛參與生物體內各種生理病理活動的調節(jié)[1]。例如，NO在神經傳遞、血管舒張和免疫應答等過程中發(fā)揮重要的調控作用；CO在心血管、神經和胃腸道系統(tǒng)中具有重要的生理功能；生理水平的H2S參與血管舒張、細胞凋亡、神經傳導和胰島素分泌的調節(jié)[2]。同時，氣體信號分子的代謝異常又與多種疾病密切相關，包括腫瘤、高血壓、糖尿病、阿爾茨海默癥、缺血再灌注、心力衰竭等[3]。因此，建立高效、靈敏的生物系統(tǒng)中氣體信號分子的檢測方法，這對于探究氣體信號分子在相關生理病理過程中的作用機制具有重要意義。

目前，氣體信號分子的檢測方法主要包括比色法、電子順磁共振、氣相色譜、電化學和熒光等分析方法[4 - 7]。其中，基于有機小分子熒光探針的熒光成像法具有操作簡便、靈敏度高、選擇性好、時空分辨率強和原位實時等特點，是細胞中氣體信號分子分析檢測的重要方法[8]。隨著研究的不斷發(fā)展，細胞整體水平的分析檢測已經不能滿足人類探索生命的需求，而對于亞細胞水平生物分子的追蹤檢測激發(fā)了研究者的濃厚興趣，使細胞器靶向熒光探針應運而生。本文總結了近年來細胞器靶向氣體信號分子熒光探針的研究進展，重點從不同細胞器定位型探針的設計、熒光性能及在生物成像方面的應用進行概述，并結合本課題組的相關工作對其發(fā)展趨勢進行了展望。

2 線粒體熒光探針

線粒體是絕大多數(shù)生物體的主要能量來源，通過一系列氧化磷酸化過程產生三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate,ATP)，為生物分子的合成、信息傳遞、細胞分化和新陳代謝等各種細胞活動提供能量。由于線粒體氧化呼吸過程中質子泵的作用，使線粒體基質中產生大量負電荷，親脂性的陽離子進入細胞后，90%以上會聚集在線粒體中，大部分線粒體定位型熒光探針都是基于該原理設計的。

自身具有脂溶性且?guī)д姾傻臒晒馊玖?如羅丹明、吲哚和花菁等)可以有效聚集在線粒體中，修飾上相應目標物的反應基團，即可實現(xiàn)對細胞線粒體中該物質的檢測。2014年，Sun等[9]將派洛寧染料與鄰苯二胺中的一個氨基偶聯(lián)構建了NO熒光探針1，該探針像羅丹明一樣具有通過共振而離域的正電荷，使探針優(yōu)先聚集在細胞線粒體中，在谷胱甘肽和半胱氨酸的作用下，探針可從紅色和綠色兩個發(fā)射通道實現(xiàn)NO的成像分析。2017年，Tang等[10]發(fā)現(xiàn)用Si原子取代羅丹明母體結構中的O原子可以使熒光團發(fā)射波長紅移，在此基礎上設計并合成了近紅外線粒體靶向NO熒光探針2，發(fā)射波長為710 nm，與NO反應快速(<1 min)，Pearson共定位系數(shù)達0.98，能夠選擇性地檢測細胞內源和外源性NO。2020年，Li等[11]報道了比率型NO熒光探針3，該探針能夠快速、選擇性地與NO反應，由于探針的pKa為6.5，容易被質子化而聚集在帶負電荷的線粒體表面，與NO反應后的衍生產物不容易被質子化而離開線粒體聚集在細胞核，共聚焦熒光成像顯示了探針檢測NO從線粒體到細胞核的變化過程。

2013年和2016年，Chen等[12]和Feng等[13]先后利用香豆素與部花菁之間的分子內電荷轉移(ICT)和熒光共振能量轉移(FRET)作用，分別設計合成了比率型H2S探針4和5，與H2S反應后，探針4的熒光發(fā)射比率F510/F652增加120倍，探針5的熒光發(fā)射比率I474/I587增加56倍，共定位實驗表明探針4和5主要分布在細胞線粒體中。2019年，Ismail等[14]以羅丹明為熒光團，基于7-硝基-1,2,3-苯并三唑胺的硫解制備了紅外發(fā)射的H2S探針6，探針與H2S反應后，585 nm處熒光增強19倍，由于探針帶正電荷，主要分布在線粒體中，可用于細胞和斑馬魚中H2S的成像分析。同年，Ma等[15]通過引入兩個吲哚基團來擴大分子的共軛體系，同時增加分子中的正電荷，報道了新型聚集誘導發(fā)光H2S探針7，分子中兩個帶正電荷的吲哚基團不僅能使探針更容易進入細胞，而且能使探針優(yōu)先聚集在線粒體中，可用于癌細胞和腫瘤組織中H2S的檢測。2020年，Liu等[16]報道了基于螺吡喃修飾的熒光素衍生物的H2S探針8，與H2S反應后，螺吡喃開環(huán)導致熒光增強6.4倍，檢測限為88.2 nmol/L，該探針具有良好的生物相容性，可用于細胞線粒體中H2S的成像分析。2021年，Gong等[17]以帶正電的吡啶鹽為線粒體靶向基團、以二硝基苯基醚為反應基團設計并合成了近紅外線粒體靶向H2S探針9，該探針有良好的水溶性，與H2S反應后，663 nm處熒光顯著增強，具有較大的Stokes位移(141 nm)，可用于細胞和動物炎癥過程中H2S變化的成像分析。最近，Ma等[18]也報道了利用吡啶鹽實現(xiàn)線粒體定位的H2S探針10，該探針與H2S反應后熒光增強大于130倍，Stokes位移為190 nm，檢測限為29 nmol/L，已成功用于各種細胞和斑馬魚線粒體中生理濃度H2S的檢測。

2018年，Li等[19]首次報道了用于線粒體CO檢測的近紅外熒光探針11，該探針利用花菁染料所帶的正電荷實現(xiàn)線粒體的定位功能，在Pd2+催化作用下，CO打斷探針中的烯丙甲酸酯基，探針在736 nm處的熒光發(fā)射增強，能用于細胞、組織中外源性和內源性CO的檢測。2019年，Zhang等[20]將一個新的CO識別基團2-甲?；拎ひ詢弱０返姆绞揭肓_丹明B母體結構，構建了線粒體靶向探針12，與其它CO探針相比，該探針與CO的作用不需要Pd2+催化，并且熒光發(fā)射在近紅外區(qū)，可用于血清和細胞等生物樣本中CO的分析測定。

基于帶正電荷熒光染料的線粒體靶向氣體信號分子熒光探針結構式如圖1所示。

圖1 基于帶正電荷熒光染料的線粒體靶向氣體信號分子熒光探針[9 - 20]Fig.1 Mitochondria-targetable fluorescent probes for gaseous signaling molecules based on positively charged fluorescent dyes[9 - 20]

除了自身具有親脂性的陽離子熒光團，三苯基膦(Triphenylphosphonium,TPP)是目前應用最廣的線粒體定位基團。TPP中含有三個親脂性的苯基，并帶正電荷，可迅速穿透線粒體膜進入線粒體基質中。2013年，Bae等[21]報道了比率型雙光子熒光探針13用于線粒體H2S的檢測，該探針以疊氮為反應基團、以6-苯并噻唑萘為熒光團，以TPP為線粒體定位基團，與H2S反應后，熒光發(fā)射發(fā)生了從藍色到黃色的顯著變化，利用雙光子熒光顯微鏡可用于神經退行性疾病過程中星形膠質細胞H2S變化的成像分析。2017年，Zhu等[22]將TPP引入萘二甲酰亞胺，并以2-氨基-3-二甲氨基聯(lián)苯為NO識別基團，制備了比率型線粒體靶向雙光子NO熒光探針14，該探針與NO反應后顏色發(fā)生顯著變化，能選擇性地檢測細胞、組織和器官中線粒體NO的變化。2018年，Gao等[23]報道了基于BODIPY的線粒體靶向NO熒光探針15，該探針與NO在無氧條件反應，將二氫吡啶轉化為吡啶衍生物，熒光增強63倍，不受其它活性氮氧組分的干擾，檢測限為25 nmol/L，并已成功用于HepG2細胞外源性NO和RAW264.7巨噬細胞內源性NO的成像觀察。隨后，Yu等[24]也報道了基于BODIPY的線粒體靶向NO熒光探針16，不同之處在于該探針利用N-亞硝化作用識別NO，反應需在有氧條件下進行，已用于HeLa細胞中NO的成像分析。2019年，Tang等[25]將TPP引入CO可激活的三聯(lián)吡啶多酸衍生物，報道了一種獨特的比率型CO熒光探針17，與CO反應后，熒光發(fā)射比率I540/I610增加48倍，該探針具有良好的選擇性和生物相容性，并成功用于細胞線粒體中CO的比率成像分析。

基于TPP的線粒體靶向氣體信號分子熒光探針結構式如圖2所示。

圖2 基于TPP的線粒體靶向氣體信號分子熒光探針[21 - 25]Fig.2 Mitochondria-targetable fluorescent probes for gaseous signaling molecules based on TPP[21 - 25]

3 溶酶體熒光探針

溶酶體是細胞內主管消化的細胞器，可稱為細胞的“胃”。溶酶體中含有蛋白酶、磷酸酶、脂酶和核酸酶等六十余種水解酶，用于代謝分解多種內源性和外源性大分子物質。由于水解酶的活性在酸性條件下最佳(pH=4.5～5)，溶酶體通過質子泵V型ATP酶不斷把細胞質中的質子泵入溶酶體內，以維持內部穩(wěn)定的酸性環(huán)境來提高代謝能力。因此，親脂性的弱堿性基團通常被作為酸性溶酶體的定位基團，其中，嗎啉基團是最具代表性的溶酶體定位基團。

2012年，Yu等[26]將嗎啉基團引入萘二甲酰亞胺、以鄰苯二胺為識別基團，首次報道了溶酶體靶向雙光子NO熒光探針18，由于光誘導電子轉移效應(PET)，探針自身沒有熒光，與NO反應后，熒光顯著增強，檢測限達5 nmol/L，首次實現(xiàn)了巨噬細胞溶酶體內內源性NO的檢測。2016年，Wang等[27]報道了基于NO誘導硅-羅丹明開環(huán)的近紅外溶酶體靶向NO熒光探針19，該探針以嗎啉基團為溶酶體定位基團，探針中的螺內酰胺結構對H+具有良好的耐受性，使探針不僅在生理條件下、而且在酸性環(huán)境中都表現(xiàn)出較低的背景熒光，同時與NO反應后有熒光的衍生產物在酸性條件下具有良好的穩(wěn)定性，適用于長時間的成像分析，并已成功用于細胞溶酶體內內源性和外源性NO的實時成像分析。隨后，Mao等[28]也利用硅-羅丹明衍生物開發(fā)了近紅外發(fā)射的雙光子NO熒光探針20，該探針激發(fā)/發(fā)射波長均在近紅外區(qū)域，可用于移植瘤模型小鼠體內NO的原位檢測，共定位實驗表明探針主要聚集在細胞溶酶體中。2017年，Dai等[29]基于分子內的發(fā)光共振能量轉移開發(fā)了多功能的NO熒光探針21，與NO反應后，I565/I540的發(fā)光比例增加28.8倍，同時發(fā)光壽命明顯降低，可提供10倍的對比窗口用于NO的檢測，共定位實驗表明該探針主要分布在細胞溶酶體中。2020年，Li等[30]也將嗎啉基團引入萘二甲酰亞胺熒光團，以N-甲基苯胺為識別基團，制備了溶酶體靶向雙光子NO熒光探針22，與NO反應后，熒光增強23.1倍，檢測限低至3.3 nmol/L，利用雙光子熒光顯微鏡實現(xiàn)了細胞和腦組織中炎癥引發(fā)的內源性NO成像分析。同年，Zhou等[31]報道了基于噠嗪酮的溶酶體NO探針23，探針對NO具有良好的選擇性和靈敏度，用于模型小鼠中探究心肌NO的產生與心肌纖維化的關系。

2014年，Zou等[32]首次將兩個香豆素熒光團通過二硫鍵連接，制備了溶酶體靶向H2S熒光探針24，共定位系數(shù)達0.947，并用于黑腹菌屬和線蟲溶酶體內的成像分析。2018年，Wu等[33]基于激發(fā)態(tài)分子內質子轉移機理制備了比率型溶酶體定位的H2S探針25，該探針具有較大的Stokes位移，與H2S反應后，熒光顯著增強，伴隨著溶液顏色由黃色變?yōu)闊o色，可用于細胞溶酶體中H2S的檢測。同年，Dou等[34]利用二級胺的溶酶體定位性能，結合新型熒光團5-苯三唑喹啉制備了溶酶體靶向H2S探針26，該探針與H2S 的反應在1 min內完成；熒光增強95倍，可用于癌細胞中內源性H2S的分析檢測。隨后，Velusamy等[35]開發(fā)了以萘二甲酰亞胺為熒光團、以嗎啉為定位基團、以鄰羧基苯甲醛為反應基團的溶酶體靶向雙光子H2S熒光探針27，該探針與H2S反應后熒光增強15倍，檢測限達24 nmol/L，MCF-7細胞成像結果表明該探針能用于細胞溶酶體中H2S的檢測。最近，Li等[36]和Wan等[37]相繼報道了萘二甲酰亞胺熒光團和嗎啉定位基團與其它H2S反應基團相結合的溶酶體定位型雙光子H2S探針28和29，28與H2S反應非常迅速，1 min內完成，29與H2S反應后熒光增強262倍，檢測限達9.8 nmol/L。2021年，Yue等[38]合成了基于BODIPY熒光團的H2S熒光探針30用于細胞溶酶體中H2S的成像分析，該探針與H2S反應快速(<60 s)，檢測限為51 nmol/L，已成功用于HeLa細胞溶酶體中H2S的成像觀察。

2018年，Dhara等[39]首次開發(fā)了基于萘二甲酰亞胺的溶酶體靶向CO熒光探針31，該探針以嗎啉為定位基團、以硝基為反應基團，與CO反應后，硝基被還原為氨基，探針熒光增強75倍，不受其它活性N、O、S組分的干擾，已成功用于MCF7細胞溶酶體中CO的成像分析。

溶酶體靶向氣體信號分子熒光探針結構式如圖3所示。

圖3 溶酶體靶向氣體信號分子熒光探針[26 - 39]Fig.3 Lysosome-targetable fluorescent probes for gaseous signaling molecules[26 - 39]

4 內質網和高爾基體熒光探針

內質網是細胞內精細的膜系統(tǒng)，是細胞內最大的細胞器。有核糖體附著的稱為粗面內質網，主要參與蛋白質的合成，而無核糖體附著的稱為光面內質網，主要參與糖類的代謝、脂質的合成及信號分子的接收等。在病毒感染、蛋白質的異常表達、組織缺氧、氧化還原態(tài)的變化等應激狀態(tài)下，未折疊的蛋白將在內質網堆積，隨后引發(fā)復雜的信號途徑。甲基磺酰胺是目前應用最普遍的內質網靶向基團。2018年，Li等[40]以萘二甲酰亞胺為熒光團、以甲基磺酰胺為內質網靶向基團、以鄰苯二胺為識別基團首次設計合成了內質網靶向雙光子NO熒光探針32，由于PET作用，探針沒有熒光，與NO反應后，熒光顯著增強，探針對NO具有良好的選擇性和較高的靈敏度，已經用于細胞內質網中內源性和外源性NO的雙光子成像分析。2019年，Song課題組[41]利用甲基磺酰胺的內質網定位功能，以哌嗪香豆素為熒光團、7-硝基-1,2,3-苯并二唑為識別基團制備了內質網靶向H2S熒光探針33，該探針對H2S具有高度選擇性，且細胞毒性小，已成功用于HeLa細胞內質網H2S的成像分析。同年，Zhang等[42]報道了比率型內質網靶向H2S探針34，該探針利用扭曲的N,N-二乙氨基實現(xiàn)了內質網的定位功能，與H2S反應后熒光增強32倍，檢測限達0.15 μmol/L。2020年，Shu等[43]首次報道了用于內質網H2S檢測的比率型近紅外熒光探針35，與H2S反應后，探針的熒光發(fā)射從560 nm紅移至650 nm，檢測限為39.1 nmol/L，共定位系數(shù)為0.948。2021年，Ma等[44]以萘二甲酰亞胺為熒光團、以甲基磺酰胺為內質網靶向基團、以疊氮為反應基團，設計并合成了內質網靶向單/雙光子H2S熒光探針36，并成功用于細胞和組織中內源性及外源性H2S的成像分析。同年，Zhang等[45]以同樣的設計思路首次制備了內質網靶向型CO熒光探針37，該探針自身熒光很弱，與CO反應后，由于ICT作用，熒光顯著增強，對CO具有良好的選擇性，共定位實驗表明探針主要分布在內質網中，可用于細胞內質網區(qū)域CO的檢測。

內質網靶向氣體信號分子熒光探針結構式如圖4所示。

圖4 內質網靶向氣體信號分子熒光探針[40 - 45]Fig.4 Endoplasmic reticulum-targetable fluorescent probes for gaseous signaling molecules[40 - 45]

高爾基體是由弓形的光面膜組成的囊泡系統(tǒng)，與內質網一起主管著細胞內生物大分子的合成及運輸，同時也與信號轉導、細胞凋亡、應激響應等多種生理病理過程密切相關。由于高爾基體探針的定位機理還未研究清楚，因此，僅有少數(shù)的高爾基體靶向探針被開發(fā)。2020年，Zhu課題組[46]考慮到高爾基體膜的膽固醇含量較高，通過在喹啉結構中引入三氟甲基增強其脂溶性和穩(wěn)定性，以疊氮為反應基團設計并合成了一個結構簡單的高爾基體靶向H2S熒光探針38，共定位系數(shù)達0.94，成功用于細胞和斑馬魚高爾基體內H2S的成像分析。隨后，該課題組[47]從高爾基體蛋白質抑制劑的官能團得到啟發(fā)，以苯磺酰胺為高爾基體定位基團、以萘二甲酰亞胺為熒光團、以疊氮為反應基團設計并合成了H2S熒光探針39，該探針具有良好的生物相容性和檢測靈敏度，共定位系數(shù)達0.92，可用于高爾基體應激過程中產生的H2S的檢測。

探針38、39結構式如圖5所示。

圖5 高爾基體靶向氣體信號分子熒光探針[46,47]Fig.5 Golgi-targetable fluorescent probes for gaseous signaling molecules[46,47]

5 細胞膜熒光探針

細胞膜是將整個細胞內部與外界環(huán)境分隔開的生物膜，控制著細胞與外界環(huán)境物質和能量的交換以及細胞之間的相互作用，任何進出細胞的物質都要通過細胞膜。細胞膜主要由磷脂雙分子層和蛋白質組成，其中磷脂分子親水性的極性頭部朝外、疏水性的烷基鏈尾部朝內，相對排列構成了細胞膜骨架。通常，細胞膜定位型探針或以疏水性的碳鏈(如直鏈脂肪酸)嵌入磷脂雙分子層，或以特異性反應基團共價結合到膜表面的特殊組分(如蛋白受體)來實現(xiàn)細胞膜區(qū)域生物組分的分析檢測。

2016年，我們課題組[48]將疏水的長鏈烷基和親水的磺酸根基團同時引入BODIPY熒光團，設計并合成了兩親性NO熒光探針40，該探針的疏水長鏈烷基定向附著于細胞膜，水溶性熒光傳感頭伸在細胞外部，首次實現(xiàn)了RAW 264.7巨噬細胞和ECV-304內皮細胞釋放到胞外NO的實時成像分析。隨后，我們課題組[49]又將長鏈烷基和磺酸根基團同時引入雙光子熒光探針的母體結構萘二甲酰亞胺，設計并合成了兩親性雙光子H2S熒光探針41，由于雙光子激發(fā)的特性，不僅可用于細胞釋放到胞外H2S的成像分析，還能實現(xiàn)組織中細胞間H2S擴散的可視化觀察。2018年，Zhang等[50]以同樣的設計思路報道了細胞膜靶向雙光子NO熒光探針42，與NO反應后，熒光增強16倍，利用雙光子熒光顯微鏡實現(xiàn)了神經元、內皮細胞和小鼠腦組織中NO的檢測。2019年，Xu等[51]通過將帶正電的季銨鹽基團連接到長鏈直線型疏水的尼羅紅分子上制備了細胞膜靶向CO熒光探針43，該探針能快速吸附在細胞膜上，并且有較長的保留時間，與CO反應后，熒光增強25倍，成功用于生理及病理條件下肝細胞釋放CO的成像分析。

細胞膜靶向氣體信號分子熒光探針結構式如圖6所示。

圖6 細胞膜靶向氣體信號分子熒光探針[48 - 51]Fig.6 Cell membrane-targetable fluorescent probes for gaseous signaling molecules[48 - 51]

6 總結與展望

本文總結了近年來開發(fā)的線粒體、溶酶體、內質網、高爾基體和細胞膜靶向的氣體信號分子熒光探針，重點討論了不同細胞器靶向探針的設計策略、探針的熒光性能及在生物成像中的應用。從亞細胞結構角度來看，細胞器靶向的氣體信號分子熒光探針主要集中在線粒體和溶酶體，而其它細胞器靶向的探針還比較有限，進一步豐富各個細胞器探針的種類、提高探針的檢測靈敏度、使探針的激發(fā)/發(fā)射波長向遠紅外區(qū)移動將為亞細胞水平氣體信號分子的基礎研究和臨床診斷提供更有力的工具。從目標檢測物來看，細胞器靶向氣體信號分子熒光探針的開發(fā)主要集中在H2S和NO，而CO的細胞器靶向探針報道相對較少，將是下一步亞細胞定位型氣體信號分子熒光探針研究關注的重點。