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Nat. Chem.:新型聚次甲基染料的普适性合成策略

来源:化学加原创      2023-12-15
导读:近日,瑞士苏黎世大学Pablo Rivera-Fuentes教授在设计合成发光的聚次甲基染料方面取得新进展,相关研究成果以“A general strategy to develop fluorogenic polymethine dyes for bioimaging”为题发表在Nature Chemistry上。本文报道了一种利用分子内关环反应改造聚次甲基染料荧光性能的普适策略,由此开发出了具有自发闪烁和免洗特性的可见-近红外发光的聚次甲基染料探针。通过将其与自标记蛋白和小分子靶向基团相连,该染料可以与基于罗丹明的染料组合用于多色和荧光寿命多重成像。该工作为发展明亮的长波长发射特性的荧光染料提供了设计指导。文章链接DOI: 10.1038/s41557-023-01367-y。

正文

荧光成像技术要求探针具有明亮的发射和良好的光学稳定性。目前基于罗丹明染料骨架的荧光探针占主导地位。但是,发展激发波长和发射波长均在近红外区间的罗丹明染料也面临着合成过程复杂、反应时间长和产率低等不足。此外,聚次甲基染料也是最常用的染料之一,但是目前关于提升聚次甲基染料的荧光性能并用于活细胞靶向成像的文章鲜有报道。与罗丹明染料结构不同的是,亲核试剂的加入可以大幅改善聚次甲基染料的荧光性能。尽管如此,强发光的聚次甲基染料的发展仍存在着合成困难、反应机制不清晰等缺陷。下载化学加APP到你手机,更加方便,更多收获。
目前已有的文献中报道的大多为5-endo-trig型环化后的聚次甲基荧光染料。该环化类型涉及五元环的形成(Fig.1a)。同时,6-endo-trig型的环化异构体也不是很稳定。基于此,作者认为在破坏双键后在环体系中形成单键也许是一个有效的合成策略(Fig.1b)。作者使用了密度泛函理论(DFT)计算发生了有效的5-endo-trig型环化得HMSiR(1)染料的开/闭环能量,并将其分别与Cy5的衍生物234a染料进行对比(Fig.1c, d)。对比之下,经历了5-endo-trig型环化的Cy5衍生物4a所需的开/闭环能量要小于HMSiR(1)染料(Fig.1c, f)。此外,在Cy5染料上修饰吸电子基团可以提高关环异构体的稳定性。以上数据表明通过5-endo-trig型环化过程可以得到更稳定的聚次甲基荧光染料。
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Fig. 1 碳菁与HMSiR的分子内环化反应

(图片来源:Nat. Chem.

接下来,作者又合成了含吲哚基团的骨架567a-d和桥联基团8,又经过两步合成得到了5-endo-trig型Cy5衍生物2a2b。同时,5-exo-trig型Cy5衍生物4a4b可以经甲基酯中间体和LiAlH4还原两步合成得到(Fig.2a)。为了评价关环异构体的稳定性,作者对Cy5衍生物进行了pH滴定(Fig.2b)。实验结果表明5-endo-trig型探针游离在细胞中能够表现出明亮的发光,而5-exo-trig型探针在酸性环境中才会发光。在活细胞成像中,5-endo-trig型探针2a2b在线粒体中表现出明亮的荧光(Fig.2c)。此外,作者合成了靶向性探针11(Fig.2d)。该染料的吸光度增加了约10倍,当与纯化的SNAP-tag蛋白培育后其荧光强度提升了21倍(Fig.2e),由此可证明在与自标记标签蛋白结合后染料的荧光性能增强。后续的实验表明探针11还具有自发闪烁特性,从而可被用于对细胞微管结构的单分子超分辨成像当中(Fig.2f)。

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Fig. 2 5-endo-trig 5-exo-trig Cy5衍生物的合成和性能研究

(图片来源:Nat. Chem.

作者又利用5-endo-trig策略合成含吲哚基团的化合物13和Cy5探针14Fig.3a。将含炔的衍生物与苄基鸟嘌呤10进行偶联后可得探针1516(Fig.3b)。染料15与纯化后的SNAP-tag蛋白培育后吸光度增强了19倍,荧光强度增强了19倍。对比之下,染料16的吸光度和荧光强度分别提高了1.4倍和2.5倍(Fig.3c),探针15则与JF646系列染料的荧光性能相当。此外,作者验证了染料1516和JF646是否可以作为免洗探针用于活细胞成像。荧光成像结果表明探针15和JF646的表现相当(Fig.3d)。作者还制备了肌动蛋白靶向的探针17-actin和DNA靶向探针18-DNA(Fig.3e, f)。体外实验中,探针17与肌动蛋白结合后的吸光度增加了11倍,荧光强度提升了313倍。活细胞成像中探针17更是能选择性靶向HeLa细胞中的肌动蛋白。同时,探针18与DNA结合后的吸光度增加了7倍,荧光强度提升了32倍。以上结果表明经5-endo-trig策略合成的Cy5衍生物可进行多种靶向性修饰后用于生物成像。

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Fig. 3 Cy5衍生物的合成、体外和活细胞染色评价

(图片来源:Nat. Chem.

最后,作者合成了Cy3的衍生物19和Cy7的衍生物20用于标记SNAP-tag(Fig.4a),探针1920在与该蛋白结合后吸光度分别提升了6倍和11倍,荧光强度分别增加了28倍和124倍(Fig.4b)。此外,探针151920的发射光谱覆盖一部分可见光区并延伸到了近红外区域。在与SNAP-tag结合后探针1520表现出明亮的发光和良好的光学稳定性(Fig.4c, d)。此外,作者结合使用Cy5染料15和JF549-Halo染料用于多路复合成像当中(Fig.4e)。如Fig.4e 所示,Cy3衍生物19和JF549-Halo的激发和发射波长范围相近,作者利用其激发态寿命的差异对其进行了荧光寿命成像(FLIM)。成像结果表明尽管两种探针的波长相近,但是基于染料19(激发态寿命2 ns)和染料JF549-Halo(激发态寿命4 ns)寿命的不同,仍可以对其发光信号进行分离(Fig.4f, g)。

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Fig.4  Cy3和Cy7衍生物的合成、体外和活细胞染色评价

(图片来源:Nat. Chem.

总结

瑞士苏黎世大学Pablo Rivera-Fuentes教授报道了一种利用5-exo-trig关环反应赋予聚次甲基染料荧光特性的普适性合成策略该染料可通过高产率的两步反应进行合成,通过改变吲哚基团或者关环基团可得到一系列衍生物。基于该策略改造后的染料表现出更加明亮的长波长发射。此外,该染料还可作为免洗探针用于共聚焦成像和单分子定位显微成像。同时,与罗丹明探针配合使用还可以实现多色荧光成像和多重荧光寿命成像。该研究为染料的设计改造和新型荧光成像拓宽了思路。

文献详情:

Annabell Martin, Pablo Rivera-Fuentes*A general strategy to develop fluorogenic polymethine dyes for bioimaging. Nat. Chem. 2023https://doi.org/10.1038/s41557-023-01367-y

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