仿生大斯托克斯位移小分子染料的開發及其生物醫學應用研究

基於小分子熒光染料的熒光定量技術被廣泛應用於藥物發現、細胞分析、體外診斷、環境檢測和生物醫學成像等領域。相對於可見光染料，近紅外染料由於更低的熒光背景，應用更為廣泛。但目前常見的商業近紅外染料具有結構複雜，分子量大，斯托克位移小等缺點。大斯托克斯位移染料由於吸收與發射曲線交叉較少，熒光成像性噪比高，受到越來越多的重視。但結構簡單、分子量小，斯托克斯位移大的近紅外染料報道較少。

近日，中國科學院上海藥物研究所在仿生大斯托克斯位移小分子染料的開發及其生物醫學應用方面取得最新研究進展。研究者透過熒光蛋白（Fluorescent protein）生色團核心骨架對羥苯乙烯咪唑啉酮（

p

-HBI）在綠色熒光蛋白（GFP）向紅色熒光蛋白（RFP）轉變時生色團結構的變化受到啟發，對

p

-HBI母核進行結構修飾，將其中的咪唑啉酮用噁唑酮替代，並將對羥基苯環替換成可以明顯延長探針的發射波長的

N

，

N

-二甲基苯乙烯，設計了一類以苯乙烯噁唑酮為骨架的D-A-D型有機小分子熒光探針（圖1），並開發了其生物醫學應用。

圖1、SOD染料仿生設計思路，合成路線及單晶衍射圖

相關成果於2022年8月 12日以“Bioinspired Large Stokes Shift Small Molecular Dyes for Biomedical Fluorescent Imaging”為題發表在國際知名學術期刊

Science Advances

上。

研究者設計合成了12個苯乙烯噁唑酮類小分子熒光探針SOD1-12，並對其光學性質、細胞及活體成像應用進行研究。透過化合物SOD10的單晶衍射結果，科研人員確認該類化合物結構中噁唑酮的環外雙鍵保持順式，化合物SOD1-12均表現出長斯托克斯位移的特性，其斯托克斯位移在136 nm~198 nm之間。同時，這些染料吸收波長集中在485 nm左右，熒光發射波長均超過635 nm，達到近紅外視窗。

研究還發現該類化合物均表現出良好的生物安全性。其中化合物SOD9吸收波長峰值492 nm，發射波長峰值650 nm，具有良好的光學性質。生物測試發現該染料可快速的透過細胞膜聚集在細胞質中。經小鼠尾靜脈注射後5 min迅速穿透血腦屏障，蓄積在腦部，且腦部的清除速率明顯慢於全身其他部位，如圖2所示。

圖2、SOD9及SOD9-TPP染料吸收發射光譜，細胞染色及活體成像圖

透過三苯基膦修飾該染料，科研人員得到了線粒體特異性靶向的化合物SOD9-TPP。靜脈注射發現其可特異性靶向腫瘤部位，併成功應用於小鼠原位頭頸部鱗狀細胞癌模型的熒光成像指導手術及線上病理分析，如圖3所示。同時發現SOD9-TPP也可以透過血腦屏障，實現了對腦部神經元的動態監測如圖4所示。

圖3、原位頭頸部腫瘤共聚焦熒光內窺鏡成像圖及病理分析圖

圖4、腦組織共聚焦熒光內窺鏡成像圖

苯乙烯噁唑酮類小分子熒光探針的開發，擴充了常見小分子熒光染料結構集中在氧雜蒽類、二吡咯亞甲基硼類（BODIPY）、花菁類（Cy）和香豆素類的範疇，為小動物活體腫瘤及腦部熒光成像等生物醫學應用提供了新選擇。

論文連結：

https：//www。science。org/doi/10。1126/sciadv。abo3289