检测硫化氢近红外荧光探针研究进展

摘" " " 要： 用于监测活细胞和生物体中H2S水平的荧光探针是非常可取的。在这方面，近红外（NIR）荧光探针已成为一种有前途的工具。NIR-I和NIR-II探针有许多显著的优点;例如，近红外光比可见光穿透组织更深，在生物样品分析过程中造成的光损伤更小，自身荧光更少，从而实现更高的信本比。因此，在近红外区域发射的荧光探针有望更适合于活体成像。因此，在文献中出现了大量新的H2S响应近红外荧光探针的报道。综述了近年来用于生物样品中H2S的近红外荧光探针的研究进展。重点介绍了它们在实时监测细胞内H2S和活体细胞/动物生物成像中的应用。

关" 键" 词：荧光；硫化氢；近红外探针；生物成像

中图分类号：O657" " "文献标识码： A" " "文章编号： 1004-0935（2023）05-0743-04

硫化氢（H2S）被许多人认为是一种有毒气体[1]。然而，在科学界，它被认为是一种调节许多生理过程的气体信号分子[2]。近红外荧光探针被定义为在近红外区域（650～1700 nm）显示荧光发射的分子和材料。近红外探针在生物成像活细胞、组织和动物中发挥了巨大的作用，以监测许多生物过程和分析物中的H2S水平[3]。近红外荧光探针与其他传统探针（300～650 nm）相比具有许多优点。近红外荧光探针可以穿透更深的组织，从而可以从更深的结构中获取信息。较低的自身荧光使得更高的信本比。近红外探针对细胞无损伤或损伤极小，灵敏度提高，斯托克斯位移大，生物相容性好，细胞毒性低，光稳定性好。这些优点使近红外探头更适合于生物成像和传感器研究[4]。

虽然有几种商业的和易于制备的近红外染料，但只有少数化合物用于H2S传感器和生物成像[5]。由于一些局限性，如量子产率低、亲水性差、光不稳定性、溶解性差、生物条件下检测灵敏度低，使得大多数近红外染料不适合设计响应近红外的H2S探针。近红外染料，包括半菁染料[6]、罗丹明染料[7]，以及BODIPY染料，主要用于设计硫化氢敏感的近红外探针。本综述简要概述了这些染料的结构特征和生物成像应用。

1" BODIPY类的近红外荧光探针

氟硼吡咯（BODIPY）衍生物可作为荧光化学传感器的近红外荧光团。BODIPY系列染料具有许多突出的光谱和光物理特性，如强吸收、高可见辐射量子产率、窄吸收和发射波段、高摩尔吸收系数、荧光效率、高溶解度、抗光和化学物质的高稳定性、低自荧光、极低光毒性和对生物成像应用的生物系统无毒[8]。

了解气体递质之间复杂的相互作用具有重要意义，但在技术上仍具有挑战性。在本研究中，2021年 Zhao[9]等设计和合成了一种双响荧光探针1，用于探测活细胞中NO和H2S的动态和交替存在，探针结构如图1所示。该探针在NO和H2S连续处理的情况下，可以反复循环s -亚硝化和转亚硝化反应，从而实现645 nm的近红外荧光（NO）和936 nm的近红外II荧光（H2S）的互换。根据这种两种颜色之间的独特荧光交替，合成了水溶性BOD-NH-SC点，以可视化NO和H2S在细胞内的动态。这些分子探针为阐明NO和H2S在各种信号转导途径的复杂相互作用网络中的相互作用提供了一个工具箱[10]。

分子探针光学成像正成为推进生物学研究和临床应用的重要工具。然而，目前大多数可用的分子探针的灵敏度、特异性和准确性都有限，因为它们对基于生物标志物的成像的单一刺激具有典型的响应性。在本研究中，2022年Zhao[11]开发了一种新型分子探针2，显示碱性磷酸酶（ALP）指示对硫化氢的敏感反应，用于精确的癌症成像和鉴别，探针结构如图1所示。所设计的探针在生理条件下处于聚合状态，表面带负电荷，对H2S的光学响应较差。ALP介导的去磷酸化反应生成带有正电荷表面的组装产物，在755 nm的亮近红外荧光下对H2S具有显著的聚集增强响应性。这种由负向正的电荷反转组合探针在基于ALP上调和H2S含量的差异实现癌症的精确可视化和区分方面起着至关重要的作用。可以设想多参数激活分子探针电荷反转策略将有助于提高癌症成像的特异性和准确性。

2" 基于半菁类的荧光探针

具有可调性的近红外（NIR， 650～900 nm）荧光半菁染料在检测、生物成像和医疗应用等方面具有重要意义。这类染料具有近红外吸收和发射、光谱性质可调、光稳定性高、Stokes位移大等优点，并且这些特性也优于传统的荧光团。近年来，研究人员在开发基于半菁染料骨架的活性基多功能荧光探针方面取得了显著进展。

急性肺损伤（Acute lung injury， ALI）是一种发病率和死亡率都很高的严重肺部炎症性疾病，其发病机制和治疗方法仍在探索中。硫化氢（H2S）是气体信号分子的成员，也是多种疾病的生物标志物，已知与ALI密切相关。但H2S水平在这一病理过程中的动态变化尚不清楚。2022年Lin[12]通过简单的程序构建了一种基于硫取代半氰胺染料的新型荧光探针3，探针结构如图2所示。与传统的半氰胺探针相比，该探针表现出增强的近红外发射，并对H2S具有快速和显著的“启动”荧光响应[13]。利用探针3实现了正常/癌细胞在不同刺激条件下内源性H2S的荧光成像。此外，探针3首次成功应用于ALI小鼠体内/器官近红外荧光成像中H2S水平的可视化。该探针有望成为探讨H2S在肺部疾病和其他病理活动中的生理作用的分子工具。

硫化氢（H2S）作为一种参与自噬的信号分子，被认为在疾病的发展和治疗中起着至关重要的作用。为了阐明H2S在机体中的复杂作用及其在疾病过程中的参与，迫切需要对H2S的动态进行可视化研究。在此基础上，2022年Zhang[14]等构建了一种用于H2S检测的水溶性近红外（695 nm发射）自烧荧光探针4，探针结构如图2所示实验证明，自焚策略检测H2S的能力可以提高探针的代谢能力和降低毒性。该探针不仅可以检测活细胞和小鼠体内的H2S，而且在检测炎症和心肌损伤过程中H2S的变化以监测细胞自我修复方面具有很大的潜力[15]。

3" 基于罗丹明类的荧光探针

荧光生物成像技术已经成为一种简便而有力的工具，可以可视化生物分子在生物系统中的产生、转运和生物学作用。罗丹明染料是目前最具光稳定性的荧光标记试剂；pH 值在4～10之间变化时，它们的光谱大多不受影响。自从 1887 年 Maurice Ceresole [16]首次发现罗丹明以来，它们作为荧光标记或小分子探针在生物技术中得到了广泛的应用。荧光团还被用于医学成像活细胞和动物的临床前研究[17]。

2022年，Zhu课题组[18]通过引入邻位卤素激活识别基团2，4-二硝基苯的活性最低的部分，研制了一种用于检测H2S的新型荧光探针5，探针结构如图3所示。结合罗丹明B和荧光素的结构，探针可以产生比色反应和荧光反应。与最近的H2S探针相比，探针的主要优点包括适合较宽的pH范围（6.0～10.0），相对快速的响应（在15 min内）和对包括生物硫醇在内的竞争物种的高选择性。探针细胞毒性低，进一步应用于活细胞和秀丽隐杆线虫的生物成像。

精神分裂症（SZ）是一种常见的严重精神疾病，病因不明。近年来，大脑中硫化氢的过量产生被认为是精神分裂症的病理生理基础之一。然而，由于血脑屏障（BBB）的存在，几乎没有荧光探针成功地用于大脑中H2S的传感和检测。2022年Wang[19]等设计并合成了基于半氰胺和罗丹明结构的近红外荧光探针6，探针结构如图3所示。探针6对血脑屏障具有良好的穿透能力，具有较高的脑吸收能力，对H2S具有良好的体内外反应。首次用荧光探针对精神分裂症（SZ）小鼠模型大脑中H2S的变化进行成像，并成功证明了精神分裂症小鼠大脑中存在异常高水平的H2S[20]。

4" 结束语

H2S因其在与各种疾病（如癌症和神经源性疾病）相关的生理和病理中不断出现的动态作用而特别受关注。受这些诊断意义不足的挑战启发，H2S探针得到了快速发展。H2S具有可还原性、亲核性和金属配位性等化学反应性质，实现了多种传感系统。与传统方法相比，H2S探针具有优良的成像性能，实现了对H2S在体内分布和生物过程的实时监测。从单通道荧光成像到比值荧光成像，从短波成像到长波长成像，随着成像技术的发展，H2S检测系统向精确、深入组织的监测生物H2S的前景迈进。

展望本文的研究成果，对进一步的探针设计和病理模拟具有重要的指导意义。总的来说， 开发完美的探针仍然是一个挑战，需要掌握基本概念和解决的生物学问题的策略。

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Abstract：" A fluorescent probe for monitoring H2S levels in living cells and organisms is highly desirable. In this regard， near-infrared （NIR） fluorescent probes have become a promising tool. NIR-I and NIR-II probes have many significant advantages， for example， near-infrared light penetrates tissues more deeply than visible light， causing less light damage and less self-fluorescence during the analysis of biological samples， resulting in a higher letter-to-letter ratio. Therefore， fluorescent probes emitted in the near-infrared region are expected to be more suitable for in vivo imaging. As a result， there have been a large number of reports of new H2S-responsive near-infrared fluorescent probes in the literature. In this paper，recent research advances in near-infrared fluorescent probes for H2S in biological samples were reviewed. Their application in real-time monitoring of intracellular H2S and live cell/animal biological imaging was discussed.

Key words： Fluorescent; Hydrogen sulfide; Near infrared probe; Biological imaging