由于可視化、非侵入性、高敏感性和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),熒光技術(shù)是目前生物醫(yī)學(xué)研究最強(qiáng)大的工具之一。熒光染料是熒光技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),它的優(yōu)劣直接影響該技術(shù)的應(yīng)用效果。然而,與近年來(lái)熒光硬件技術(shù)的快速發(fā)展相比,熒光染料的發(fā)展相對(duì)緩慢,許多當(dāng)前使用的熒光染料仍然存在量子收率低、生物兼容性和光穩(wěn)定性差等方面限制。近日,我校化學(xué)化工學(xué)院郭煒教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)經(jīng)典“碳-二吡咯亞甲基染料(Bodipys)“進(jìn)行“B→C”單原子改造,開(kāi)發(fā)了一類(lèi)具有正離子特性的“碳-二吡咯亞甲基染料(Cardipys)”及其可見(jiàn)及近紅外衍生物。Cardipys染料不僅保留了經(jīng)典Bodipys染料優(yōu)良的光物理性質(zhì),而且表現(xiàn)出比其更優(yōu)越的水溶性和光穩(wěn)定性。而且,與廣泛應(yīng)用的正離子型羅丹明染料相比,Cardipys染料不存在“扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)”熒光淬滅機(jī)制,因此在水溶液中展現(xiàn)出更高的熒光量子收率(部分染料的熒光量子收率接近1)。重要的是,由于正離子特性,Cardipys染料極其容易穿透細(xì)胞膜并特異性靶向到膜電勢(shì)更大的線(xiàn)粒體中,因此為線(xiàn)粒體功能的研究提供了優(yōu)良的影像工具。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),幾個(gè)具有Michael加成活性的Cardipys染料被細(xì)胞攝入后,發(fā)生了從線(xiàn)粒體到溶酶體的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)。機(jī)理研究表明,這些Cardipys進(jìn)入線(xiàn)粒體后,能在谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)的催化下與線(xiàn)粒體谷胱甘肽(GSH)發(fā)生Michael加成反應(yīng),導(dǎo)致GSH加合物的生成;該加合物然后在細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的調(diào)解下遷移到了溶酶體,并在那里發(fā)生了反式-Michael加成反應(yīng),重新釋放了Cardipys和GSH。鑒于GST是細(xì)胞內(nèi)重要的二期解毒酶,主要催化GSH與內(nèi)源或外源性親電體發(fā)生共價(jià)結(jié)合而起到解毒作用,因此上述Cardipys染料的線(xiàn)粒體到溶酶體的細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程模擬了線(xiàn)粒體內(nèi)GST/GSH脫毒系統(tǒng)調(diào)節(jié)的毒性親電體的脫毒路徑。線(xiàn)粒體是細(xì)胞呼吸作用的主要場(chǎng)所,除了為生命體提供能量之外,也產(chǎn)生大量的毒性親電體(包括各種a,b-不飽和醛和酮),這些親電體可通過(guò)烷基化DNA和蛋白而導(dǎo)致嚴(yán)重的細(xì)胞毒性,從而引發(fā)各種疾病。因此,上述Cardipys染料有望應(yīng)用于探究因線(xiàn)粒體GST/GSH脫毒系統(tǒng)受損而引起的各種疾病,如神經(jīng)組織退化性疾病和動(dòng)脈粥樣硬化等。
值得注意的是,作者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)上述活性Cardipys的“線(xiàn)粒體到溶酶體”轉(zhuǎn)運(yùn)速率與細(xì)胞內(nèi)GST的表達(dá)水平密切相關(guān)。例如,在GST高表達(dá)的癌細(xì)胞中,如藥物抵抗的癌細(xì)胞(A549/ADM)和抗癌藥(阿霉素-ADM、順鉑-cisplatin等)預(yù)處理的癌細(xì)胞,上述活性Cardipys的“線(xiàn)粒體到溶酶體”轉(zhuǎn)運(yùn)速率明顯加快,由對(duì)比細(xì)胞的15 min提高到了5-6 min。而且,作者證實(shí),提高細(xì)胞內(nèi)GSH濃度并不影響這些活性Cardipys的“線(xiàn)粒體到溶酶體”轉(zhuǎn)運(yùn)速率,該結(jié)果與酶催化反應(yīng)的基質(zhì)飽和現(xiàn)象是一致的。鑒于癌細(xì)胞GST的高表達(dá)與癌細(xì)胞藥物抵抗能力密切相關(guān),這些活性Cardipys染料在探究癌細(xì)胞藥物抵抗機(jī)制以及在篩選更加有效的抗癌藥方面也應(yīng)具有大的潛力。
上述成果近期發(fā)表在國(guó)際化學(xué)頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜》(J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c06916)(IF: 14.612),文章的第一作者是我院青年教師張洪星,合作作者為鄭州大學(xué)孫遠(yuǎn)強(qiáng)副教授和我校碩士研究生劉夢(mèng)星,通訊作者為我院郭煒教授和劉景教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山西省青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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