花菁類染料是被研究的最多的一類商業(yè)化有機染料,在科學、技術(shù)工程、生物醫(yī)藥等各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用�；ㄝ技捌溲苌锞哂袃�(yōu)異的光物理學性質(zhì),如高摩爾吸收系數(shù),高熒光量子產(chǎn)率、相對較長的吸收和發(fā)射波段,使其成為一種優(yōu)秀的光學成像平臺,可用作生物成像和傳感研究中的熒光/光聲成像探針。近些年來,利用花菁染料的光學和化學反應(yīng)活性開發(fā)用于生物相關(guān)分子的檢測和特定生理過程的實時可視化的響應(yīng)性分子探針,逐漸成為人們研究的熱點。目前大量基于花菁平臺(尤其是花菁、半花菁、方酸菁類結(jié)構(gòu))的響應(yīng)性分子探針的已經(jīng)被報道用于生物活性分子、生理和病理微環(huán)境等的成像與傳感。然而,相關(guān)方向的研究仍然存在著一些問題和不足。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,花菁類染料本身較低的光穩(wěn)定性亟需改善;一些探針的激發(fā)和發(fā)射波長相對較短限制其生物應(yīng)用;并且目前大多數(shù)探針都是基于熒光機制的,需要開發(fā)基于其它成像模式的新型探針。在應(yīng)用方面,用于亞細胞成像和體內(nèi)成像的花菁類分子探針仍十分有限,同時花菁類染料在醫(yī)學診斷和疾病治療中的應(yīng)用研究也需要進一步開發(fā)。因此開發(fā)具有高穩(wěn)定性和新型成像模式的響應(yīng)性花菁分子探針,將極大地促進相關(guān)的生物醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展。本文旨在通過結(jié)構(gòu)設(shè)計,開發(fā)具有近紅外吸收、高穩(wěn)定性的新型響應(yīng)性花菁類分子影像平臺,并研究其在從亞細胞到活體的生物成像和腫瘤診療中的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容如下:1、半花菁染料修飾的上轉(zhuǎn)化納米粒子用于線粒體硫化氫比率成像的研究本章中我們設(shè)計并合成了一種同時具有硫化氫(H_2S)響應(yīng)和線粒體靶向特性半花菁衍生物分子探針TPAMC,并將其與上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)結(jié)合開發(fā)了基于酸激活線粒體靶向策略的比率型上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米探針,用于檢測線粒體中的H_2S并對其進行實時成像。TPAMC修飾的上轉(zhuǎn)換納米粒子作為靶向和響應(yīng)組分被包裹在pH敏感的兩親性聚乙二醇(PEG)聚合物中,形成穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu),提高了納米探針在體內(nèi)運輸過程中的穩(wěn)定性。在溶酶體的酸性環(huán)境刺激下,PEG聚合物殼層被打斷,靶向位點暴露于納米探針表面以進一步附著于線粒體。細胞測試揭示了通過溶酶體遞送的精準線粒體靶向過程。利用TPAMC和UCNPs之間的發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移過程,可以實現(xiàn)高選擇性和靈敏度的線粒體H_2S比率檢測�；�980 nm激發(fā)的上轉(zhuǎn)換成像模式很好地克服了半花菁分子探針光穩(wěn)定性差、激發(fā)波長短的問題。因此,這一納米探針不僅可以用于活細胞線粒體中H_2S含量的檢測還可以用于結(jié)腸癌小鼠模型的體內(nèi)成像。2、近紅外吸收的花菁類小分子比率光聲探針在活體硫化氫成像中的應(yīng)用為了進一步探索花菁類分子探針在體內(nèi)成像中的應(yīng)用,我們開發(fā)了一種基于水溶性近紅外吸收花菁染料的小分子光聲探針CyCl-1,用于H_2S的體內(nèi)光聲成像。由于H_2S與花菁分子中活性氯原子之間的親核取代反應(yīng),H_2S的加入能夠引起探針分子內(nèi)電荷分布的顯著變化,從而實現(xiàn)對分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程(ICT)的調(diào)節(jié)。這一探針表現(xiàn)出對H_2S的快速和選擇性響應(yīng),具有720 nm(增強)和800 nm(衰減)的雙峰比率型光聲信號,能夠?qū)崿F(xiàn)小鼠體內(nèi)H_2S的高分辨率和高保真度實時成像。此外,與傳統(tǒng)的多組分比率納米探針相比,我們的小分子探針的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更穩(wěn)定的比率光聲信號和更低的潛在毒性。藥代動力學研究顯示CyCl-1能夠通過肝膽排泄途徑快速從體內(nèi)清除。這種小分子比率光聲探針的成功開發(fā)將有助于促進先進光聲成像技術(shù)在H_2S相關(guān)生物醫(yī)學研究中的應(yīng)用及其臨床轉(zhuǎn)譯過程。3、基于花菁分子探針的比率光聲納米平臺用于腫瘤成像和硫化氫釋放監(jiān)測H_2S是一種重要的信號分子,對人體的生理過程起到重要的調(diào)節(jié)作用。但過量的H_2S也會對細胞造成殺傷�；谶@一特性,我們將花菁分子探針與H_2S供體結(jié)合,制備了光聲監(jiān)測的硫醇-激發(fā)硫化氫釋放納米診療平臺。首先通過側(cè)鏈修飾合成油溶性的花菁類PA分子探針,然后將其與多硫化物(PSD)共同包裹在兩親性聚合物中形成納米粒子(CY-PSD)。作為探針的花菁分子(CY)對H_2S具有良好的響應(yīng)性,呈現(xiàn)出比率PA信號變化,同時PSD能夠與硫醇反應(yīng)生成H_2S�；谀[瘤組織透過性增強及滯留效應(yīng)(EPR)納米探針能夠富集在腫瘤部位。腫瘤細胞中超高含量的谷胱甘肽(GSH)刺激PSD釋放出大量H_2S,再通過CY進行實時檢測,這一過程也同時實現(xiàn)對腫瘤組織的比率型光聲成像。細胞實驗表明CY-PSD的H_2S釋放量與細胞中的生物硫醇含量密切相關(guān),正常細胞和癌細胞之間存在著明顯差異,這為低毒副作用的腫瘤治療提供了良好的基礎(chǔ)。
【學位單位】：南京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O657.3;TQ619.7
【部分圖文】：

1.2.2 花菁染料的合成（1）花菁的合成根據(jù)聚甲炔鏈碳原子個數(shù)的不同，花菁被分為單甲炔（Cy1），三甲炔（Cy3），五甲炔（Cy5）和七甲炔花菁（Cy7）。花菁染料的吸收和發(fā)射光譜可隨著共軛聚甲炔鏈長度的變化而改變：聚甲炔主鏈增加一個亞乙烯基團可引起光譜紅移約 100 nm[34]。Cy5 和 Cy7 的最大吸收和發(fā)射已經(jīng)達到近紅外（NIR， 650-900 nm）區(qū)域，這兩種染料更有利于生物分子探針的，因為與紫外（UV）和可見光相比，NIR 光光損傷小，具有最小熒光背景干擾，并且生物組織對光子的散射較弱，成像穿透深度大[35-37]。經(jīng)過一個多世紀的研究，人們已經(jīng)開發(fā)出了用于花菁染料合成的有效方法（圖 1.3）。通常，花菁染料是通過芳族季銨鹽與不同縮合劑的縮合獲得的。Cy3 染料可以由季銨鹽與原甲酸三甲酯的反應(yīng)合成。 Cy5 通常通過季銨鹽和鏈狀花菁試劑之間的縮合制備，利用其可以方便地合成具有不同內(nèi)消旋取代基的 Cy5 熒光團。 合成 Cy7 的常用方法是季銨鹽和對稱醛基結(jié)構(gòu)的縮合，這一方法簡單方便且具有較高的反應(yīng)產(chǎn)率。

圖 1.4 經(jīng)典的半花菁結(jié)構(gòu)及一般合成方法示意圖。方酸菁的合成菁是花菁家族的重要成員之一，其特征是居于中間位置的的環(huán)狀共軛核離子結(jié)構(gòu)[39]。圖 1.6 為經(jīng)典的方酸菁染料實例。方酸菁染料的誕生可以追和 Jacob 發(fā)表的關(guān)于 3,4-二羥基環(huán)丁-3-烯-1,2-二酮（方形酸）與吡咯的反應(yīng)越多的方酸染料開始出現(xiàn)在文獻中。 這些方酸菁染料通常通過富電子 N，N-二烷基苯胺，苯酚，苯并噻唑和吡咯與缺電子的方形酸縮合制備（圖，克酮酸染料也是一種有吸引力的方酸衍生物（圖 1.6）。 由于存在五元子受體核心，與相對應(yīng)的方酸菁染料相比，這些分子在吸收上呈現(xiàn)出約 1酸菁染料及其衍生物的強吸電子核心使其分子內(nèi)部形成了供體-受體-供體結(jié)構(gòu)，因此，這類分子通常呈現(xiàn)出強烈而尖銳的吸收和發(fā)射帶[39]。

圖 1.4 經(jīng)典的半花菁結(jié)構(gòu)及一般合成方法示意圖。（3）方酸菁的合成方酸菁是花菁家族的重要成員之一，其特征是居于中間位置的的環(huán)狀共軛核心和共兩性離子結(jié)構(gòu)[39]。圖 1.6 為經(jīng)典的方酸菁染料實例。方酸菁染料的誕生可以追溯到reibs 和 Jacob 發(fā)表的關(guān)于 3,4-二羥基環(huán)丁-3-烯-1,2-二酮（方形酸）與吡咯的反應(yīng)的報告，越來越多的方酸染料開始出現(xiàn)在文獻中。 這些方酸菁染料通常通過富電子芳族或物如 N，N-二烷基苯胺，苯酚，苯并噻唑和吡咯與缺電子的方形酸縮合制備（圖 1.5）之外，克酮酸染料也是一種有吸引力的方酸衍生物（圖 1.6）。 由于存在五元環(huán)烯酸的電子受體核心，與相對應(yīng)的方酸菁染料相比，這些分子在吸收上呈現(xiàn)出約 100 nm2]。方酸菁染料及其衍生物的強吸電子核心使其分子內(nèi)部形成了供體-受體-供體（D-轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，因此，這類分子通常呈現(xiàn)出強烈而尖銳的吸收和發(fā)射帶[39]。
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本文編號：2838723