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活性硫交互响应,大连化物所发表检测细胞内氧

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活性硫交互响应,大连化物所发表检测细胞内氧

韩克利团队生物体氧化还原循环研究获进展
为生物医学研究提供有力工具

健康的生态环境是人类生存发展的物质基础,环境受到破坏将危害人类健康。生物细胞内活性硫物种在调节环境和人体平衡方面起着重要的作用。“活性硫物种”是含硫生物分子的集合名词,该类分子作为硫信号转导的关键位点,在生命体的生理和病理过程中发挥着至关重要的作用。硫化氢作为活性硫物种家族的一员,其对环境的毒性和毒害影响几个世纪以来备受研究人员的广泛关注。然而,近来有关生命体的内源性H2S的研究发现,H2S是继一氧化氮和一氧化碳之后的第三个具有生物活性的气体,被称为“气体递质”或“气体介体”。目前的研究普遍认为H2S是硫信号转导分子,但是又有新的研究表明,在硫信号转导过程中,实际转导分子是H2S直接转化的硫烷硫(RSSnSH/RSSnSR),而不是H2S。众所周知,高浓度的H2S具有很强的细胞毒性,而硫烷硫的细胞毒性很低。在细胞氧化还原信号过程中,活性氧物种的爆发和硫烷硫的产生都是在很短的时间内发生,其中半胱氨酸参与的氧化还原过程独立于谷胱甘肽的抗氧化系统之外。由于缺乏直接的检测工具,检测活性氧物种的爆发和活性硫的实时生理作用受到了挑战。与其他生物检测技术相比,荧光生物成像技术已成为检测细胞内活性物种的强有力工具。该技术具有很多优势,如高时空分辨率、非侵入性、灵敏度高、选择性好、快速反应等,尤其是近红外荧光能够实现最大化生物样品穿透和避免背景荧光信号的干扰。

中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室研究员韩克利团队在模拟谷胱甘肽过氧化物酶活性中心构建用于检测细胞内氧化还原状态变化的小分子荧光探针方面的系列研究工作受到了国际同行的广泛关注。近日,该团队受邀在Accounts of Chemical Research 杂志上发表综述文章Redox-Responsive Fluorescent Probes with Different Design StrategiesAcc. Chem. Res.2015, 48, 1358−1368)。

本报讯近日,中科院大连化学物理研究所复杂分子体系反应动力学研究组研究员韩克利团队,通过引入含碲谷胱甘肽过氧化物模拟酶,开发出一种可逆近红外荧光探针检测生物体内过氧化亚硝酰和谷胱甘肽之间的氧化还原循环的新方法,并研究了其激发态动力学性质。相关研究结果发表在最近一期《美国化学会志》上。内源性过氧化亚硝酰根已被确认为一种生物体内的强氧化剂。过氧化亚硝酰根的这种化学性质使得它成为生物所患各种疾病的主要致病因子。过氧化亚硝酰根作为硝化剂也造成了细胞内的硝化应激。更多研究表明,内源性过氧化亚硝酰根通过其硝化生物分子的能力来调制信号转导通路。过氧化亚硝酰根甚至可以作为一种潜在的候选抗癌药物。针对上述问题,研究人员首次实现了对水溶液和细胞内的氧化还原循环对过氧化亚硝酰/谷胱甘肽的近红外荧光检测。并实现了在分子、细胞和活体三个层次上对具有生理氧化还原活性的物种的原位、实时、动态荧光成像分析。研究结果对揭示这些功能性活性物种的产生、转移、作用机制等规律产生重要意义。该成果在一定程度上揭示了生物体内氧化还原过程对生物生理和病理的影响,为进一步的生物医学研究提供了有力的工具。《中国科学报》 (2013-06-26 第4版 综合)

中国科学院烟台海岸带研究所研究员陈令新带领的“环境分析监测理论与工程技术”研究团队,立足“环境—健康”效应研究,积极布局生物荧光检测的基础研究和技术开发,取得了联动检测环境胁迫下活性氧物种参与下的活性硫物种交互响应的系列突破。研究人员设计并合成了一系列多响应近红外荧光探针(HCy-FN、Mito-ss和Cy-NB等),利用多通道荧光信号,实现了原位、实时检测细胞内活性氧物种的爆发和活性硫物种的交互响应。激光共焦显微成像结果证实了该探针可以原位实时检测细胞线粒体内和活体小鼠内的活性氧物种的爆发和活性硫物种的交互变化,流式细胞仪分析进一步证实了成像结果。这些研究成果表明,所开发的多响应探针能够作为直接的检测工具,用于检测活细胞和活体小鼠内活性氧物种的爆发和活性硫物种的变化,从而实现了在分子、细胞和活体三个层次上对活性氧物种和活性硫物种进行原位、动态的荧光成像分析。该研究不仅对阐明细胞内活性氧和活性硫关联生成机制具有重要意义,还可望为活性硫作为真正的信号转导分子的机理研究奠定基础。

细胞内的氧化还原平衡主导着生物体的各种生理病理过程,而参与这一平衡的活性氧具有反应活性高、半衰期短等特点。因此,检测细胞内的氧化还原状态变化是一项非常具有挑战性又有重要生物医学意义的研究工作。近年来,韩克利研究组一直致力于发展用于检测活细胞内氧化还原状态变化的小分子荧光探针,模拟谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心硒、碲类似物,采用不同的荧光作用机理,发展了一系列具有选择性好、灵敏度高、近红外吸收、快速响应等特点的荧光探针,并相继在J. Am. Chem. Soc.Chem. Commun.Phys. Chem. Chem. Phys.等杂志上发表了一系列文章。

相关最新研究成果陆续发表在Biomaterials (2015,63,93−101)、Analytical Chemistry (2015,87,3631−3638)、Biosensors & Bioelectronics (2015,74,156–164)等期刊上。

该综述文章根据荧光探针的不同设计策略,系统地总结了韩克利研究组近年来在发展检测活细胞内氧化还原状态变化的小分子荧光探针以及对于荧光探针的作用机理方面的研究进展。该篇综述是第一篇比较系统地概述“检测细胞内氧化还原变化的小分子荧光探针”的文章,对未来发展更多性能优良的响应氧化还原状态变化的荧光探针具有非常重要的指导意义。

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大连化物所检测细胞内氧化还原变化的系列研究工作在ACR上发表综述文章

双响应近红外荧光探针及其成像

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