檢測硫化氫近紅外熒光探針研究進展

摘" " " 要： 用于監測活細胞和生物體中H2S水平的熒光探針是非常可取的。在這方面，近紅外（NIR）熒光探針已成為一種有前途的工具。NIR-I和NIR-II探針有許多顯著的優點;例如，近紅外光比可見光穿透組織更深，在生物樣品分析過程中造成的光損傷更小，自身熒光更少，從而實現更高的信本比。因此，在近紅外區域發射的熒光探針有望更適合于活體成像。因此，在文獻中出現了大量新的H2S響應近紅外熒光探針的報道。綜述了近年來用于生物樣品中H2S的近紅外熒光探針的研究進展。重點介紹了它們在實時監測細胞內H2S和活體細胞/動物生物成像中的應用。

關" 鍵" 詞：熒光；硫化氫；近紅外探針；生物成像

中圖分類號：O657" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0743-04

硫化氫（H2S）被許多人認為是一種有毒氣體[1]。然而，在科學界，它被認為是一種調節許多生理過程的氣體信號分子[2]。近紅外熒光探針被定義為在近紅外區域（650～1700 nm）顯示熒光發射的分子和材料。近紅外探針在生物成像活細胞、組織和動物中發揮了巨大的作用，以監測許多生物過程和分析物中的H2S水平[3]。近紅外熒光探針與其他傳統探針（300～650 nm）相比具有許多優點。近紅外熒光探針可以穿透更深的組織，從而可以從更深的結構中獲取信息。較低的自身熒光使得更高的信本比。近紅外探針對細胞無損傷或損傷極小，靈敏度提高，斯托克斯位移大，生物相容性好，細胞毒性低，光穩定性好。這些優點使近紅外探頭更適合于生物成像和傳感器研究[4]。

雖然有幾種商業的和易于制備的近紅外染料，但只有少數化合物用于H2S傳感器和生物成像[5]。由于一些局限性，如量子產率低、親水性差、光不穩定性、溶解性差、生物條件下檢測靈敏度低，使得大多數近紅外染料不適合設計響應近紅外的H2S探針。近紅外染料，包括半菁染料[6]、羅丹明染料[7]，以及BODIPY染料，主要用于設計硫化氫敏感的近紅外探針。本綜述簡要概述了這些染料的結構特征和生物成像應用。

1" BODIPY類的近紅外熒光探針

氟硼吡咯（BODIPY）衍生物可作為熒光化學傳感器的近紅外熒光團。BODIPY系列染料具有許多突出的光譜和光物理特性，如強吸收、高可見輻射量子產率、窄吸收和發射波段、高摩爾吸收系數、熒光效率、高溶解度、抗光和化學物質的高穩定性、低自熒光、極低光毒性和對生物成像應用的生物系統無毒[8]。

了解氣體遞質之間復雜的相互作用具有重要意義，但在技術上仍具有挑戰性。在本研究中，2021年 Zhao[9]等設計和合成了一種雙響熒光探針1，用于探測活細胞中NO和H2S的動態和交替存在，探針結構如圖1所示。該探針在NO和H2S連續處理的情況下，可以反復循環s -亞硝化和轉亞硝化反應，從而實現645 nm的近紅外熒光（NO）和936 nm的近紅外II熒光（H2S）的互換。根據這種兩種顏色之間的獨特熒光交替，合成了水溶性BOD-NH-SC點，以可視化NO和H2S在細胞內的動態。這些分子探針為闡明NO和H2S在各種信號轉導途徑的復雜相互作用網絡中的相互作用提供了一個工具箱[10]。

分子探針光學成像正成為推進生物學研究和臨床應用的重要工具。然而，目前大多數可用的分子探針的靈敏度、特異性和準確性都有限，因為它們對基于生物標志物的成像的單一刺激具有典型的響應性。在本研究中，2022年Zhao[11]開發了一種新型分子探針2，顯示堿性磷酸酶（ALP）指示對硫化氫的敏感反應，用于精確的癌癥成像和鑒別，探針結構如圖1所示。所設計的探針在生理條件下處于聚合狀態，表面帶負電荷，對H2S的光學響應較差。ALP介導的去磷酸化反應生成帶有正電荷表面的組裝產物，在755 nm的亮近紅外熒光下對H2S具有顯著的聚集增強響應性。這種由負向正的電荷反轉組合探針在基于ALP上調和H2S含量的差異實現癌癥的精確可視化和區分方面起著至關重要的作用。可以設想多參數激活分子探針電荷反轉策略將有助于提高癌癥成像的特異性和準確性。

2" 基于半菁類的熒光探針

具有可調性的近紅外（NIR， 650～900 nm）熒光半菁染料在檢測、生物成像和醫療應用等方面具有重要意義。這類染料具有近紅外吸收和發射、光譜性質可調、光穩定性高、Stokes位移大等優點，并且這些特性也優于傳統的熒光團。近年來，研究人員在開發基于半菁染料骨架的活性基多功能熒光探針方面取得了顯著進展。

急性肺損傷（Acute lung injury， ALI）是一種發病率和死亡率都很高的嚴重肺部炎癥性疾病，其發病機制和治療方法仍在探索中。硫化氫（H2S）是氣體信號分子的成員，也是多種疾病的生物標志物，已知與ALI密切相關。但H2S水平在這一病理過程中的動態變化尚不清楚。2022年Lin[12]通過簡單的程序構建了一種基于硫取代半氰胺染料的新型熒光探針3，探針結構如圖2所示。與傳統的半氰胺探針相比，該探針表現出增強的近紅外發射，并對H2S具有快速和顯著的“啟動”熒光響應[13]。利用探針3實現了正常/癌細胞在不同刺激條件下內源性H2S的熒光成像。此外，探針3首次成功應用于ALI小鼠體內/器官近紅外熒光成像中H2S水平的可視化。該探針有望成為探討H2S在肺部疾病和其他病理活動中的生理作用的分子工具。

硫化氫（H2S）作為一種參與自噬的信號分子，被認為在疾病的發展和治療中起著至關重要的作用。為了闡明H2S在機體中的復雜作用及其在疾病過程中的參與，迫切需要對H2S的動態進行可視化研究。在此基礎上，2022年Zhang[14]等構建了一種用于H2S檢測的水溶性近紅外（695 nm發射）自燒熒光探針4，探針結構如圖2所示實驗證明，自焚策略檢測H2S的能力可以提高探針的代謝能力和降低毒性。該探針不僅可以檢測活細胞和小鼠體內的H2S，而且在檢測炎癥和心肌損傷過程中H2S的變化以監測細胞自我修復方面具有很大的潛力[15]。

3" 基于羅丹明類的熒光探針

熒光生物成像技術已經成為一種簡便而有力的工具，可以可視化生物分子在生物系統中的產生、轉運和生物學作用。羅丹明染料是目前最具光穩定性的熒光標記試劑；pH 值在4～10之間變化時，它們的光譜大多不受影響。自從 1887 年 Maurice Ceresole [16]首次發現羅丹明以來，它們作為熒光標記或小分子探針在生物技術中得到了廣泛的應用。熒光團還被用于醫學成像活細胞和動物的臨床前研究[17]。

2022年，Zhu課題組[18]通過引入鄰位鹵素激活識別基團2，4-二硝基苯的活性最低的部分，研制了一種用于檢測H2S的新型熒光探針5，探針結構如圖3所示。結合羅丹明B和熒光素的結構，探針可以產生比色反應和熒光反應。與最近的H2S探針相比，探針的主要優點包括適合較寬的pH范圍（6.0～10.0），相對快速的響應（在15 min內）和對包括生物硫醇在內的競爭物種的高選擇性。探針細胞毒性低，進一步應用于活細胞和秀麗隱桿線蟲的生物成像。

精神分裂癥（SZ）是一種常見的嚴重精神疾病，病因不明。近年來，大腦中硫化氫的過量產生被認為是精神分裂癥的病理生理基礎之一。然而，由于血腦屏障（BBB）的存在，幾乎沒有熒光探針成功地用于大腦中H2S的傳感和檢測。2022年Wang[19]等設計并合成了基于半氰胺和羅丹明結構的近紅外熒光探針6，探針結構如圖3所示。探針6對血腦屏障具有良好的穿透能力，具有較高的腦吸收能力，對H2S具有良好的體內外反應。首次用熒光探針對精神分裂癥（SZ）小鼠模型大腦中H2S的變化進行成像，并成功證明了精神分裂癥小鼠大腦中存在異常高水平的H2S[20]。

4" 結束語

H2S因其在與各種疾病（如癌癥和神經源性疾病）相關的生理和病理中不斷出現的動態作用而特別受關注。受這些診斷意義不足的挑戰啟發，H2S探針得到了快速發展。H2S具有可還原性、親核性和金屬配位性等化學反應性質，實現了多種傳感系統。與傳統方法相比，H2S探針具有優良的成像性能，實現了對H2S在體內分布和生物過程的實時監測。從單通道熒光成像到比值熒光成像，從短波成像到長波長成像，隨著成像技術的發展，H2S檢測系統向精確、深入組織的監測生物H2S的前景邁進。

展望本文的研究成果，對進一步的探針設計和病理模擬具有重要的指導意義。總的來說， 開發完美的探針仍然是一個挑戰，需要掌握基本概念和解決的生物學問題的策略。

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Abstract：" A fluorescent probe for monitoring H2S levels in living cells and organisms is highly desirable. In this regard， near-infrared （NIR） fluorescent probes have become a promising tool. NIR-I and NIR-II probes have many significant advantages， for example， near-infrared light penetrates tissues more deeply than visible light， causing less light damage and less self-fluorescence during the analysis of biological samples， resulting in a higher letter-to-letter ratio. Therefore， fluorescent probes emitted in the near-infrared region are expected to be more suitable for in vivo imaging. As a result， there have been a large number of reports of new H2S-responsive near-infrared fluorescent probes in the literature. In this paper，recent research advances in near-infrared fluorescent probes for H2S in biological samples were reviewed. Their application in real-time monitoring of intracellular H2S and live cell/animal biological imaging was discussed.

Key words： Fluorescent; Hydrogen sulfide; Near infrared probe; Biological imaging