基于萘酰亞胺的生物硫醇探針的合成及對含硫醇氨基酸的檢測

郭靖 劉慶文 杜建時 孔祥怡 宋巖 +楊清彪+趙晴 李耀先

摘要合成了以4羥基萘酰亞胺為熒光團，2，4二硝基苯磺酰氧基為特異性識別基團的生物硫醇探針4（2，4二硝基苯磺酰氧基）正丁基1，8萘酰亞胺（DNSBN）。吸收光譜和熒光光譜結(jié)果表明， DNSBN對半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH）3種生物硫醇分子具有高效的檢測識別能力，不受其它17種天然氨基酸的干擾。同時，通過熒光滴定實驗證實了此探針是一種比率型探針，555 nm處的熒光強度與溶液中的生物硫醇分子濃度在0 ～ 20 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，對Cys、Hcy和GSH的檢出限（3σ）分別為25.9、92.0和77.9 nmol/L。而吸收光譜、熒光光譜和質(zhì)譜表征數(shù)據(jù)顯示，生物硫醇與2，4二硝基苯磺酸酯發(fā)生親核取代反應(yīng)并導(dǎo)致磺酸酯的分解。隨著識別基團的解離，探針分子的dPeT （donorexcited photoinduced electron transfer） 效應(yīng)被解除，并出現(xiàn)非常明顯的比色與熒光變化。HeLa細胞成像實驗表明，探針DNSBN具有良好的生物相容性，能夠?qū)毎庠葱陨锪虼挤肿舆M行檢測。

關(guān)鍵詞熒光探針； 萘酰亞胺； 半胱氨酸； 同型半胱氨酸； 谷胱甘肽

1引 言

生物硫醇（包括半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽）是與人體健康息息相關(guān)的重要物質(zhì)，其含量出現(xiàn)異常時，就會產(chǎn)生某些疾病。例如肝損傷、浮腫、頭發(fā)脫色或兒童生長緩慢，都與體內(nèi)半胱氨酸（Cys）含量異常有關(guān)[1～3]；血清中同型半胱氨酸（Hcy）是心腦血管疾病的一種標志物[4，5]，老年人的髖骨骨折和阿爾茲海默病等疾病也被認為與其密切相關(guān)[6～9]；谷胱甘肽（GSH）作為一種重要抗氧化劑，對維持細胞內(nèi)部的還原環(huán)境和保護細胞器免收活性氧（ROS）的損害起著重要作用[10]。目前，生物硫醇檢測已經(jīng)成為某些疾病診斷的重要依據(jù)。

傳統(tǒng)的分析檢測生物硫醇的方法如高效液相色譜法[11～13]、質(zhì)譜法[14]、毛細管電泳法[15]、比色分析法[16～18]、電化學(xué)分析法[19]等，雖然具有檢出限低、重現(xiàn)性好、精確度高等優(yōu)點，但也存在一些明顯的缺陷，如檢測成本高、預(yù)處理復(fù)雜、難以用于體內(nèi)檢測等，限制了其進一步的發(fā)展和應(yīng)用。有機熒光傳感器由于操作簡單、能夠?qū)崟r檢測及可用于體內(nèi)檢測等優(yōu)勢，近年被廣泛用于生物、醫(yī)療和環(huán)境檢測領(lǐng)域。目前，針對生物硫醇檢測的熒光探針可以分為反應(yīng)型熒光探針與配位絡(luò)合型熒光探針兩類，主要通過邁克爾加成[20]、醛的環(huán)化[21]、二硫鍵的斷裂[22]或其它識別機理[23，24]進行識別。但這些探針大都存在檢測限較高、不能在中性環(huán)境中使用以及合成復(fù)雜等問題。近年來，以2，4二硝基苯磺酰氧基/胺基為識別基團的熒光探針引起了研究者的關(guān)注[25，26]。該類探針利用硝基的強吸電子作用，使探針分子在激發(fā)態(tài)時出現(xiàn)dPeT （Donorexcited photoinduced electron transfer） 效應(yīng)，從而引起熒光淬滅。而生物硫醇的引入導(dǎo)致分子內(nèi)的苯磺酰氧基/胺基的離去，dPeT效應(yīng)被抑制，熒光團的固有熒光得以發(fā)射。這類探針具有合成簡單、檢測限低、靈敏度高等優(yōu)點，具有很好的實際應(yīng)用價值。

本研究計合成了以萘酰亞胺為熒光團、2，4二硝基苯磺酰氧基為識別基團的比率型生物硫醇熒光探針4（2，4二硝基苯磺酰氧基）正丁基1，8萘酰亞胺 （4（2，4Dinitrophensulfonyloxy）nbutyl1，8Naphthalimide， DNSBN），實現(xiàn)了中性環(huán)境下對生物硫醇的檢測，Cys、Hcy和 GSH的熒光檢出限分別為2.59×10

Symbolm@@ 8 mol/L、9.20×10

Symbolm@@ 8 mol/L和7.79×10

Symbolm@@ 8 mol/L，并具有很好的細胞成像檢測能力。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

AV400（MHz）型核磁共振波譜儀（美國Bruker公司）：Agilent1290micrOTOF Q II型液相色譜質(zhì)譜分析儀（美國Agilent公司）； F4500熒光光譜儀， U3010紫外可見吸收光譜儀（日本日立公司）；IX71F22FL型熒光顯微鏡（日本奧林巴斯公司）。

N2羥乙基哌嗪N′ 2乙磺酸（HEPES）和N乙基順丁烯二酰亞胺（NEM）（分析純，阿拉?。ㄉ虾＃┰噭┯邢薰荆?；2，4二硝基苯磺酰氯和谷胱甘肽（分析純，薩蒽化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司）；半胱氨酸（分析純，98.5%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；同型半胱氨酸（分析純，95%，SigmaAldrich公司）；無甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、賴氨酸、絲氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈胺酸和蘇氨酸（分析純，北京百靈威科技有限公司 （J&K Chemical））；DMEM細胞培養(yǎng)基（ThermoFisher Scientific 公司）；其它試劑均為國產(chǎn)分析純。

2.2實驗方法

2.2.1探針DNSBN的合成中間體1、2和NIOH按照文獻[27]的方法合成，如圖1所示： 在100 mL圓底燒瓶中，加入20 mL無水四氫呋喃、0.45 g（1.67 mmol）NIOH和350 μL（2.5 mmol）三乙胺，0℃下攪拌15 min，隨后緩慢滴加含有0.49 g（1.84 mmol）2，4硝基苯磺酰氯的15 mL無水四氫呋喃，室溫攪拌5 h，加2 mL水淬滅反應(yīng)，減壓蒸干溶劑，洗滌、抽濾，真空干燥，將得到的粗產(chǎn)物用二氯甲烷/石油醚（3∶1， V/V）柱層析洗脫分離，得到0.54 g淡黃色的探針DNSBN，產(chǎn)率64.7%。1H NMR （400 MHz， d6DMSO） δ 9.17 （d， J=2.2 Hz， 1H）， 8.62 （dd， J=8.7， 2.2 Hz， 1H）， 8.56 （d， J =7.2 Hz， 1H）， 8.47 （d， J=8.1 Hz， 1H）， 8.38 （d， J=7.3 Hz， 1H）， 8.36 （d， J=8.5 Hz， 1H）， 7.95 （t， J=7.9 Hz，endprint

2.2.2測試前溶液的配制以及測試參數(shù)配制5 × 10

Symbolm@@ 3 mol/L DNSBN的乙腈溶液，儲存于冰箱中，各種氨基酸和谷胱甘肽各自配制成0.01 mol/L的溶液 （20 mmol/L HEPES緩沖液，pH=7.4），低溫保存。移取DNSBN原液用pH=7.4的乙腈HEPES（1∶1，V/V）緩沖液稀釋濃度為1.0 × 10

Symbolm@@ 5 mol/L，用于DNSBN對各種氨基酸的比色與熒光的裸眼識別測試。移取0.5 mL DNSBN原液，并用pH=7.4的乙腈HEPES（1∶1，V/V）緩沖液稀釋至5.0 × 10

Symbolm@@ 6 mol/L的DNSBN溶液，用于探針的熒光發(fā)射光譜測試。激發(fā)波長為456 nm，激發(fā)與發(fā)射狹縫均為5 nm。各待檢測物與探針的作用時間均為90 min，溫度為室溫（25℃）。

2.2.3細胞培養(yǎng)與細胞成像實驗參照文獻[29]方法，在37℃，5% CO2的氣氛中，HeLa細胞在含有10%（V/V）胎牛血清 （FBS）的DMEM 培養(yǎng)基中培養(yǎng)。在細胞成像前，HeLa細胞接種在24孔板中并孵育24 h，向一部分HeLa細胞加入2 μmol/L探針并孵育30 min；用HEPES緩沖液清洗細胞3次。用熒光顯微鏡觀察，暗場下HeLa細胞發(fā)出黃綠色熒光。另一部分HeLa細胞在加入2 μmol/L探針前，先用5 mmol/L N乙基馬來酰亞胺（NEM，生物硫醇抑制劑）預(yù)處理30 min，熒光顯微鏡下發(fā)現(xiàn)細胞的熒光強度明顯減弱。由此證實了活細胞內(nèi)部存在大量的生物硫醇。向已被NEM處理的含有熒光探針的HeLa細胞中再分別加入40 μmol/L 半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽，37℃下繼續(xù)孵育1 h，用HEPES緩沖液清洗3次，并用熒光顯微鏡進行細胞成像觀察。

3結(jié)果與討論

3.1探針DNSBN對生物硫醇的裸眼識別

向10 μmol/L DNSBN溶液中分別加入200 μmol/L的19種氨基酸以及谷胱甘肽，觀察探針溶液的比色與熒光變化情況（圖2）。結(jié)果表明，加入半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽后，溶液由無色變?yōu)辄S色，并在365 nm紫外光下發(fā)出強烈的黃綠色熒光；而加入另外17種氨基酸時，溶液未出現(xiàn)明顯變化。

3.2探針的紫外可見吸收滴定實驗

向DNSBN溶液中分別加入不同濃度的生物硫醇，得到DNSBN對Cys、Hcy和GSH的紫外可見吸收滴定曲線。當3種生物硫醇的濃度分別從0增加到500 μmol/L時，吸收光譜均在450 nm處出現(xiàn)明顯的吸收峰；以生物硫醇濃度為橫坐標，（A/A0-1）為縱坐標（A 為450 nm處吸收峰強度，A0為未加入生物硫醇時吸收峰強度），結(jié)果如圖3所示。在檢測Cys時，當Cys濃度增加到200 μmol/L后，峰強度達到穩(wěn)定值；GSH則在250 μmol/L以上濃度時，吸收峰強度達到穩(wěn)定值；Hcy在300 μmol/L以上，450 nm處吸收值達到穩(wěn)定值。上述結(jié)果說明，在相同條件下，3種氨基酸與探針反應(yīng)的活性略有差異，依次為Cys>GSH>Hcy。

3.3熒光滴定實驗

考察溶液pH值對DNSBN探針與生物硫醇分子反應(yīng)的熒光強度的影響，結(jié)果如圖4所示，當pH<4.5時，無論生物硫醇加入與否，探針的熒光強度均很弱，這可能是由于溶液酸性過大，不利于巰基親核反應(yīng)的進行；當pH>4.5，隨著溶液pH值增加，DNSBN溶液的熒光強度逐漸增加；

對于Cys和GSH，溶液pH值達到7.0后，再增大pH值，熒光強度不再出現(xiàn)明顯變化。而對于Hcy，當溶液pH值達到9.0后，熒光強度才不再明顯增大。以上現(xiàn)象說明，Cys與GSH的巰基性質(zhì)比較接近，Hcy的巰基有所不同，推測認為同型半胱氨酸中巰基的性質(zhì)比較類似于羧基，因此在堿性條件下檢測Hcy才更為有利。同時，當溶液的pH>8.0后，即使不加入生物硫醇，探針的熒光強度也明顯增強，說明探針在強堿性環(huán)境下苯磺酸酯基會發(fā)生分解。因此，檢測3種生物硫醇的合適pH范圍為6.0～8.0，考慮到人體生理pH=7.35～7.45，因此后續(xù)測試時pH值選擇pH=7.4。

在5 μmol/L DNSBN溶液中逐漸加入3種生物硫醇（每次增加濃度均為2.5 μmol/L），分別得到DNSBN對Cys、Hcy和GSH的熒光滴定曲線，如圖5所示。隨生物硫醇濃度逐漸增加，探針在555 nm處的熒光強度逐漸增大；在相同濃度時，Cys對探針溶液的熒光強度影響最大。上述實驗結(jié)果進一步說明探針與Cys的反應(yīng)活性最強，這與吸收光譜的實驗結(jié)果一致。

5 μmol/L， 20 mmol/L HEPES （pH 7.4）ACN （1∶1， V/V）， λex=456 nm， 狹縫： 5 nm/5 nm。

Fig.5Fluorescence intensity of DNSBN in buffer solution with the increasing of Cys （A）， Hcy （B） or GSH （C）， the internal graph exhibits that fluorescence intensity of DNSBN at 555 nm with the increasing of biothiols. Concentration of DNSBN is 5 μmol/L； 20 mmol/L HEPES （pH 7.4）ACN （1∶1， V/V）. λex=456 nm， slit width： 5 nm/5 nm

以圖5中的Cys濃度為X軸，對應(yīng)濃度下的555 nm處熒光強度（I）與未加入生物硫醇時熒光強度（I0）的比值（I/I0）作為Y軸，得到Cys熒光滴定曲線的散點圖（圖6），從圖6A可見，Cys濃度在25.9 nmol/L～20 μmol/L濃度范圍內(nèi)，I/I0與Cys濃度有很好的線性關(guān)系，回歸方程為Y =3.50324 X + 5.13217，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9916，檢出限（3σ）為25.9 nmol/L。如表1所示，本方法的檢出限明顯低于一些文獻報道的探針[28，32]。 同樣，根據(jù)圖6B與6C，得到檢測Hcy和GSH的線性回歸方程分別為Y=1.44533X + 2.26647和Y=1.70686X + 5.42335，線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9974與 0.9921，線性范圍分別為92.0 nmol/L～20 μmol/L和77.9 nmol/L～20 μmol/L，檢出限分別為92.0 和77.9 nmol/L。endprint

3.4探針的選擇性和競爭性實驗

為進一步確認DNSBN對檢測異生物硫醇的特性，采用紫外可見吸收光譜和熒光光譜考察了探針對19種氨基酸以及谷胱甘肽的響應(yīng)情況。結(jié)果表明，除Cys、Hcy或GSH 3種生物硫醇分子外，10倍濃度的其它氨基酸對吸收光譜以及熒光光譜沒有明顯影響。對于紫外可見吸收光譜，引入生物硫醇后，350和450 nm處出現(xiàn)兩處非常明顯的吸收峰，而其它17種干擾性氨基酸則不會引起上述變化（圖7A）。

熒光光譜實驗表明（圖7B），向DNSBN溶液中加入其它氨基酸后，熒光強度幾乎沒有變化。只有加入3種生物硫醇分子后，555 nm處的熒光才出現(xiàn)明顯增強，這進一步證實了DNSBN對生物硫醇有選擇性。向探針溶液中引入各種干擾氨基酸（Hcy與GSH的濃度為100.0 μmol/L，其它氨基酸濃度為1.0 mmol/L）的同時，再加入100.0 μmol/L Cys，發(fā)現(xiàn)即使在高濃度干擾氨基酸存在下，DNSBN依然對半胱氨酸具有良好的識別能力（圖7C）。

3.5探針的識別機理

為了確定探針DNSBN與生物硫醇反應(yīng)后的產(chǎn)物，分別對DNSBN與Cys、Hcy和GSH的反應(yīng)產(chǎn)物進行質(zhì)譜表征，均出現(xiàn)m/z 270.1的碎片峰（圖8A）。對檢測后所得溶液與NIOH的吸收光譜與發(fā)射光譜進行了比對（圖8B），峰型基本吻合，

spectra of DNSBN treated with biothiols and NIOH而NIOH的分子離子峰也是m/z 270.1，由此初步證實探針DNSBN與生物硫醇反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為NIOH。結(jié)合文獻[25，33]的結(jié)果，推測加入生物硫醇后，硫醇上的巰基與識別基團2，4二硝基苯磺酸酯鍵發(fā)生親核取代反應(yīng)，酯鍵斷裂分解，DNSBN轉(zhuǎn)化為NIOH。實驗中發(fā)現(xiàn)，由于反應(yīng)前分子內(nèi)存在強吸電子基團——硝基， 致使激發(fā)態(tài)的DNSBN分子出現(xiàn)dPeT （Donorexcited photoinduced electron transfer） 效應(yīng)，熒光團萘酰亞胺的熒光發(fā)射被抑制；而加入生物硫醇后，探針的dPeT效應(yīng)被抑制，萘酰亞胺的熒光得以發(fā)射，溶液出現(xiàn)明顯的熒光增強現(xiàn)象。探針的識別機理如圖 1所示。

3.6探針的細胞成像實驗

文獻[34]已經(jīng)證實，活細胞內(nèi)存在大量的GSH與Cys，細胞內(nèi)濃度分別為1～10 mmol/L和30～200 μmol/L。因此，在細胞成像實驗中，需要使用生物硫醇抑制劑N乙基順丁烯二酰亞胺 （NEM） 對HeLa細胞進行預(yù)處理[35，36]，隨后再加入探針和生物硫醇進行熒光成像。如圖9所示，經(jīng)過NEM處理后的HeLa細胞，加入熒光探針未發(fā)出很強的熒光，而加入Cys、Hcy和GSH后，暗場下可以看到細胞發(fā)出明顯的黃綠色熒光；而從明場下的實驗圖片可見，HeLa細胞的邊緣輪廓完整，細胞形態(tài)正常，從而證實DNSBN的細胞毒性很小，可以在活細胞內(nèi)對外源引入的生物硫醇進行細胞成像。

4結(jié) 論

本研究以萘酰亞胺為熒光團、2，4二硝基苯磺酰氧基為識別基團，設(shè)計合成了對生物硫醇（Cys、Hcy和GSH）有特異性熒光和比色雙重檢測性能的染料探針DNSBN。此探針利用生物硫醇能夠與2，4二硝基苯磺酸酯發(fā)生反應(yīng)生成硫醚，dPeT效應(yīng)被抑制，使萘酰亞胺發(fā)出其固有熒光，實現(xiàn)了在中性環(huán)境中對生物硫醇的高效特異性檢測，有望在特定疾病檢測和細胞和體內(nèi)成像中得到應(yīng)用。

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Synthesis of Naphthalimidebased Biothiols Probe and

Detection of Amino Acids Containing Sulfhydryl Groups

GUO Jing1，2， LIU QingWen2， DU JianShi1， KONG XiangYi1， SONG Yan2，

YANG QingBiao2， ZHAO Qing*1， LI YaoXian2

1（Department of Neurology， ChinaJapan Union Hospital of Jilin University， Changchun 130033， China）

2（College of Chemistry， Jilin University， Changchun 130021， China）

AbstractA novel probe （DNSBN） towards biothiols on the basis of 4hydroxynaphthalimide as fluorophores and 2， 4dinitrobenzenesulfonyloxy group as specific recognition site was designed and synthesized. The result of absorption and fluorescence spectral analyses indicated that the probe had high sensitivity and selectivity towards cysteine （Cys）， homocysteine （Hcy） and glutathione （GSH）， and the detection was not affected by other 17 kinds of natural amino acids. Meanwhile， it was confirmed that DNSBN was a ratiometric probe through the fluorescence titration experiment， and the fluorescent intensity at 555 nm had a high linear relationship with biothiols concentration in the range of 0-20 μmol/L. The detection limits （3σ） of Cys， Hcy and GSH were 25.9， 92.0 and 77.9 nmol/L， respectively. The absorption， emission and mass spectra indicated that biothiols could be engaged in nucleophilic substitution reaction with 2，4dinitrobenzenesulfonate， which induced the sulfonic esters decomposed. With the departure of receptor unit， the dPeT progress （donorexcited photoinduced electron transfer） was blocked with an obvious colorimetric and fluorescence change. Finally， HeLa cell imaging experiments verified that DNSBN had good biocompatibility and could be used to detect exogenous biothiols.

KeywordsFluorescent probe； Naphthalimide； Cysteine； Homocysteine； Glutathione

（Received 19 May 2017； accepted 20 July 2017）endprint