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缺氧与肿瘤的各种生理活动密切相关,缺氧伴随着许多相关酶表达量上升,硝基还原酶(NTR)与缺氧的程度直接相关,定量检测硝基还原酶对于癌症的诊断具有重要的指导作用。在硝基还原酶还原底物过程中,辅酶NADH和硝基底物均参与反应,表现出双底物催化过程。现有的硝基还原酶小分子荧光探针具有较高的灵敏度,为肿瘤的检测提供依据,由于硝基还原酶酶促反应过程与NADH相关,发展辅因子-底物的主-客体超分子荧光探针,开发硝基还原酶快速检测的新方法成为研究热点。
大连理工大学仿生识别与荧光传感团队段春迎教授、焦扬副教授提出了一种辅因子-底物的主-客体超分子荧光探针平台策略,用于硝基还原酶的快速定量检测(图1)。主体部分由三个双臂三齿的辅酶NADH模拟物二氢吡啶配体和三个Zn2+配位组装得到的M3L3型金属-有机大环Zn-MPB,客体部分为可以被硝基还原酶还原的底物L-NO2,主客体间相互作用将底物L-NO2封装在主体大环Zn-MPB中,其还原过程不再依赖于NADH浓度,反应过程中电子传递效率提高。主体Zn-MPB和底物L-NO2融合为准分子结构,使硝基还原酶的双底物催化还原过程优化为单底物催化还原过程,缩短反应时间。
主-客体探针在测试环境中能够稳定形成与存在,在缓冲液溶剂测试中表现出了优异的性能(图2A-2F),与硝基还原酶反应5秒内达到平衡。辅因子-底物超分子荧光探针的荧光强度只与硝基还原酶浓度线性相关,不随时间变化(图2E,2F),实现了对硝基还原酶的快速定量检测。将超分子探针进一步用于细胞测试,发现随缺氧程度升高,Zn-MPBÉL-NO2对细胞的成像效果越明显(图2G)。荧光强度随时间变化的细胞成像结果显示(图2H),1min内即可实现对缺氧细胞的快速荧光成像。辅因子-底物超分子荧光探针对活体荷瘤小鼠瘤体荧光成像在10min内即可达到快速平衡,辅因子-底物超分子荧光探针具有快速响应硝基还原酶的能力。
图2.辅因子-底物主客体探针Zn-MPBÉL-NO2对硝基还原酶荧光检测及细胞成像
这项研究提出了一种辅因子-底物超分子荧光探针策略,极大的促进了探针对酶响应的效率,为仿生催化、肿瘤的早期诊断及前药的激活提供了新思路。
ACofactor-Substrate-Based Supramolecular Fluorescent Probe for the UltrafastDetection of Nitroreductase under Hypoxic Conditions
Yang Jiao, LeiZhang, Xu Gao, Wen Si, Chunying Duan*
Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6021-6027.
研究团队简介
大连理工大学段春迎教授团队长期从事生命体系相关的仿生识别与荧光传感研究,通过构建富含酰胺骨架的金属-有机仿生结构,拓展出系列新型高灵敏度专一性敏感材料。作为团队成员焦扬副教授从事肿瘤靶向识别标记及肿瘤形成发展过程生物示踪的研究工作。
段春迎
https://www.x-mol.com/university/faculty/9437
焦扬
https://www.x-mol.com/university/faculty/9181
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