基于苯并惡二唑（BD）衍生物的H2S及GSH熒光探針的開發(fā)及應(yīng)用

基于苯并惡二唑（BD）衍生物的H2S及GSH熒光探針的開發(fā)及應(yīng)用基于苯并惡二唑（BD）衍生物的H2S及GSH熒光探針的開發(fā)及應(yīng)用

摘要：H2S和GSH在生物體內(nèi)均具有重要的生理功能和生物學(xué)效應(yīng)，但在過去的探針研發(fā)中，存在穩(wěn)定性不佳、還原性差、信號轉(zhuǎn)換不明確等問題。苯并惡二唑（BD）作為新型熒光簇基團(tuán)自然在環(huán)中形成大的內(nèi)部π電子共軛結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高效能量傳遞和長壽命熒光。通過對BD基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，可以合成出對H2S和GSH具有靈敏、選擇性和可逆的熒光探針。本文綜述了近年來基于BD衍生物的H2S及GSH熒光探針的開發(fā)過程和性能研究，以及其在生物成像及藥物篩選中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：苯并惡二唑、衍生物、H2S、GSH、熒光探針、生物成像、藥物篩選

引言

H2S和GSH是生物體內(nèi)兩種重要的活性小分子，它們在生理和病理過程中發(fā)揮著重要作用。H2S可以誘導(dǎo)血管擴(kuò)張、抗炎、抗氧化、抗凋亡等生物學(xué)效應(yīng)，GSH則是維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡的重要物質(zhì)，對抗氧化應(yīng)激、解毒等均有重要作用。因此，開發(fā)可靠、靈敏、選擇性的H2S和GSH探針對于探究它們的代謝過程、診斷病變以及藥物篩選有重要意義。

在過去的探針研發(fā)中，苯并惡二唑（BD）得到了廣泛應(yīng)用。BD作為新型熒光簇基團(tuán)自然在環(huán)中形成大的內(nèi)部π電子共軛結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高效能量傳遞和長壽命熒光。通過對BD基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，可以合成出對H2S和GSH具有靈敏、選擇性和可逆的熒光探針。本文將綜述近年來基于BD衍生物的H2S及GSH熒光探針的開發(fā)過程和性能研究，以及其在生物成像及藥物篩選中的應(yīng)用。

H2S熒光探針

早期的H2S熒光探針通?；谘鯕饣┝孔狱c(diǎn)（GOQD）或氧化石墨烯（GO）修飾的熒光蛋白質(zhì)等，但其存在無法準(zhǔn)確控制探針對H2S的選擇性和敏感性問題。近年來，基于BD衍生物的H2S熒光探針不斷涌現(xiàn)。

目前為止，已經(jīng)合成了多種基于BD衍生物的H2S熒光探針。其中一種雙取代苯并惡二唑（BDP）的衍生物（BDP-Cl）被證明可以通過順式-反式異構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熒光開關(guān)的響應(yīng)（Wangetal.,2019）。該探針的響應(yīng)機(jī)理可歸結(jié)為H2S誘導(dǎo)核苷酸的取代基置換導(dǎo)致的異構(gòu)化反應(yīng)。另一種BDP衍生物（BDP-N3）通過化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的炔基可以與H2S進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)，并且此反應(yīng)具有良好的H2S選擇性和高靈敏度（Qingetal.,2021）。不久前，研究者們還合成了一種新型的H2S雙熒光響應(yīng)器BPDBD，其中BD作為芳稠環(huán)熒光基團(tuán)具有良好的抗干擾性能，而BPD具有強(qiáng)烈的熒光信號（Zhietal.,2021）。這種探針的靈敏度可以達(dá)到10nM的級別，且其響應(yīng)速度快、靶向性強(qiáng)，基本能夠滿足H2S生物監(jiān)測及其它實(shí)際需求。

GSH熒光探針

相對于H2S熒光探針，GSH熒光探針的開發(fā)較晚，但同樣具有重要的應(yīng)用前景。

近年來，基于BD衍生物的GSH熒光探針得到了不斷的研發(fā)和應(yīng)用。例如一種新型BPT衍生物（BPT-BD）可以經(jīng)由GSH介導(dǎo)的氧氣化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熒光信號的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對GSH的高選擇性和靈敏檢測（Tangetal.,2018）。近來，BPT-BD的團(tuán)隊(duì)又快速構(gòu)建了一種全新的結(jié)合BODIPY和BD的新型GSH熒光探針BD-BDP-BODIPY，其具有著更快的響應(yīng)速度和更高的靈敏度（Zhengetal.,2021）。值得一提的是，該探針對GSH的響應(yīng)機(jī)理與H2S探針有所不同，它主要通過過氧化氫催化產(chǎn)生的自由基反應(yīng)實(shí)現(xiàn)與GSH的高度識別和反應(yīng)。

應(yīng)用前景

基于BD衍生物的熒光探針在生命科學(xué)和藥物科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用展望前景廣闊。

生物成像方面，基于H2S和GSH熒光探針的熒光成像已經(jīng)被成功應(yīng)用于單細(xì)胞成像、細(xì)胞培養(yǎng)、腫瘤標(biāo)記和動物體內(nèi)顯影等各個領(lǐng)域（Tianetal.,2020）。在腫瘤藥物篩選方面，基于BD衍生物的熒光探針可以快速、靈敏地檢測細(xì)胞毒性、抑制腫瘤細(xì)胞生長的藥物、以及對腫瘤微環(huán)境的影響等（Liuetal.,2018）。此外，基于BD熒光探針還能與其它探針模塊結(jié)合，構(gòu)建具有多種檢測和測量功能的復(fù)合探針系統(tǒng)（Chenetal.,2020）。

結(jié)論

基于苯并惡二唑（BD）衍生物的H2S及GSH熒光探針的研究領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展。該類探針具有良好的選擇性、靈敏度和可重復(fù)性，能夠有效應(yīng)用于生物體內(nèi)代謝過程及病理生理學(xué)品種檢測。同時，隨著科技的發(fā)展，人們對不同類型的BD熒光探針的合成、改性和應(yīng)用有著更深入的研究和展望，預(yù)計(jì)在不久的將來，將有更多的BD衍生物的熒光探針被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、藥物篩選和治療等多個領(lǐng)域。

。隨著生命科學(xué)和藥物科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多的研究需要能夠高度識別和反應(yīng)H2S和GSH的熒光探針。BD衍生物的熒光探針因其良好的選擇性、靈敏度和可重復(fù)性而備受關(guān)注，已經(jīng)成功地應(yīng)用于單細(xì)胞成像、細(xì)胞培養(yǎng)、腫瘤標(biāo)記和動物體內(nèi)顯影等各個領(lǐng)域。此外，該類探針還能夠快速、靈敏地檢測細(xì)胞毒性、抑制腫瘤細(xì)胞生長的藥物，并對腫瘤微環(huán)境產(chǎn)生影響。未來，在不斷探索和改進(jìn)BD衍生物的熒光探針的合成、改性和應(yīng)用方面，將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，并在生命科學(xué)、藥物篩選和治療等多個領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特的作用。BD衍生物的熒光探針因其良好的選擇性、靈敏度和可重復(fù)性而得到廣泛的應(yīng)用。人體內(nèi)存在大量的H2S和GSH，它們在人體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。H2S在多種生理過程中發(fā)揮重要的生物學(xué)作用，如血管舒張、炎癥的調(diào)節(jié)、神經(jīng)調(diào)節(jié)等。GSH是一種三肽，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成。它是人體內(nèi)最主要的非酶還原劑，是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要因素。因此，能夠高度識別和反應(yīng)H2S和GSH的熒光探針非常重要。

BD衍生物的熒光探針可以在短時間內(nèi)準(zhǔn)確地檢測H2S和GSH的濃度和產(chǎn)生的變化，從而迅速反應(yīng)生化和環(huán)境變化。這些探針具有出色的光學(xué)性能，可以在體內(nèi)外進(jìn)行單細(xì)胞成像、細(xì)胞培養(yǎng)、腫瘤標(biāo)記和動物體內(nèi)顯影等。對生命科學(xué)領(lǐng)域來說，這樣的探針在疾病診斷和治療、藥物發(fā)現(xiàn)和評估以及生理學(xué)和病理學(xué)等方面都發(fā)揮著重要的作用。

除了在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用之外，BD衍生物的熒光探針在環(huán)境保護(hù)、污染監(jiān)測和食品安全等方面也有著廣泛的應(yīng)用。對于環(huán)境領(lǐng)域來說，這些探針可以用于檢查廢水、污染物、化學(xué)污染和生物危害表征等。在食品和藥品檢測時，能夠高效地檢測H2S和GSH的熒光探針可以用于檢查食品和藥品中有害物質(zhì)的殘留是否合理，以保證消費(fèi)者的安全。

隨著科技的不斷進(jìn)步，BD衍生物的熒光探針在諸多領(lǐng)域中將繼續(xù)發(fā)揮更加廣泛和重要的作用。為了進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，未來需要在探針的合成、改性和應(yīng)用方面進(jìn)行更加深入的研究，更好地滿足多領(lǐng)域的需求，并為生命科學(xué)、藥物篩選和治療等領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)。此外，隨著人們對于環(huán)境和健康意識的提高，對于食品安全、環(huán)境保護(hù)等方面的要求也越來越高，因此BD衍生物的熒光探針在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用也將更加廣泛。

在環(huán)境保護(hù)方面，BD衍生物的熒光探針可以用于廢水、污染物等的檢測，以及生態(tài)環(huán)境的評估和監(jiān)測。利用這些探針的特性，可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測各種有害物質(zhì)在環(huán)境中的存在和變化，從而及時采取措施進(jìn)行調(diào)控。

在食品安全方面，BD衍生物的熒光探針可以快速檢測食品中的有害物質(zhì)殘留情況，如農(nóng)藥、重金屬等。通過在食品中添加熒光探針并采用特定的檢測方法，可以在短時間內(nèi)對食品中的有害物質(zhì)進(jìn)行檢測和監(jiān)測，從而確保食品的質(zhì)量和安全。

此外，BD衍生物的熒光探針在藥物篩選和治療方面也有著廣泛的應(yīng)用。通過在藥物設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中引入熒光探針，可以快速評估新藥物的活性和毒性，并篩選出具有良好藥效和安全性的藥物。與此同時，通過將熒光探針引入具有生物活性的化合物中，可以實(shí)現(xiàn)對疾病的快速診斷和治療，并為臨床治療提供便捷的工具和手段。

總之，BD衍生物的熒光探針以其高靈敏度、高選擇性、低毒性等特點(diǎn)在多個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的深入，這些探針將在更多的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮更加重要的作用，為人類健康、環(huán)境保護(hù)和生命科學(xué)等領(lǐng)域做出更加重要的貢獻(xiàn)。除了上述領(lǐng)域，BD衍生物的熒光探針在生命科學(xué)研究中也有著重要的應(yīng)用。例如，在細(xì)胞生物學(xué)中，熒光探針可以用于檢測細(xì)胞的生長、分化等生理狀態(tài)的變化，揭示細(xì)胞內(nèi)分子的動態(tài)變化和相互作用關(guān)系。在神經(jīng)科學(xué)研究中，熒光探針可以用于探測神經(jīng)元的活動和相互連接情況，研究神經(jīng)系統(tǒng)的功能和調(diào)節(jié)機(jī)制。此外，在生物醫(yī)學(xué)研究中，熒光探針可以用于研究細(xì)胞的代謝途徑、細(xì)胞分化和生長、腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過程等，為疾病治療和預(yù)防提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，BD衍生物的熒光探針還有著更多的潛在應(yīng)用。例如，通過引入熒光探針和其他功能分子形成智能材料，可以實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng)、光傳感和分子識別等功能，有望應(yīng)用于電子器件、光電子器件、生物傳感器等領(lǐng)域。此外，熒光探針也可以與納米技術(shù)相結(jié)合，形成納米探針，用于腫瘤的早期診斷和藥物釋放等方面。

總之，BD衍生物的熒光探針作為一種新興的分析技術(shù)，在多個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和研究。未來，隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，這些探針將有更多的應(yīng)用場景和市場前景，成為各領(lǐng)域中不可或缺的重要工具。除了上述領(lǐng)域，BD衍生物的熒光探針還有著更多的潛在應(yīng)用。其中之一是在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，熒光探針可以用于檢測環(huán)境中的污染物，如重金屬離子、有機(jī)物等，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境污染的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。此外，熒光探針也可以用于檢測水、食品等領(lǐng)域中的微生物污染，對食品安全和水源保護(hù)具有重要意義。

另外，熒光探針還可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。例如，通過引入熒光探針，可以實(shí)現(xiàn)對作物生長狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和評估，為作物種植和管理提供科學(xué)依據(jù)。同時，也可以利用熒光探針檢測農(nóng)產(chǎn)品中存在的農(nóng)藥等有害物質(zhì)，保障食品安全。

此外，在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究中，熒光探針也可以用于研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和過程。例如，利用熒光探針可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)生成和消失的實(shí)時監(jiān)測，從而深入了解反應(yīng)機(jī)理和過程。這對化學(xué)工業(yè)的優(yōu)化和改進(jìn)具有重要的實(shí)際意義。

總之，BD衍生物的熒光探針具有廣泛而且重要的應(yīng)用前景。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，熒光探針的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大，為各個領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用提供更好的工具和支持。此外，熒光探針還可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)療診斷中，熒光探針可以用于檢測治療過程中的病原體、癌細(xì)胞等，提供快速準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。同時，熒光探針也可以用于仿生醫(yī)學(xué)研究中，例如，通過引入熒光探針可以實(shí)現(xiàn)對生物體內(nèi)部分子的實(shí)時監(jiān)測，為仿生醫(yī)學(xué)研究提供加強(qiáng)和改進(jìn)。

另外，熒光探針還可以應(yīng)用于建筑和材料科學(xué)領(lǐng)域。例如，通過引入熒光探針可以實(shí)現(xiàn)對建筑材料的性能和結(jié)構(gòu)的實(shí)時監(jiān)測和評估，為建筑材料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。同時，熒光探針也可以用于檢測材料中存在的有害物