J. Am. Chem. Soc. | 一种用于开发近红外化学遗传学指示剂的明亮荧光支架:2X-罗丹明

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分享一篇发表在Journal of the American Chemical Society上的文章,文章的题目为“2X-Rhodamine: A Bright and Fluorogenic Scaffold for Developing Near-Infrared Chemigenetic Indicators”,本文的通讯作者是来自复旦大学的张凡教授和王尚风研究员,他们的研究方向都与生物荧光分析有关。

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罗丹明是重要的荧光支架。在生物环境中,罗丹明处于无色内酯和荧光两性离子的平衡,改变这个平衡的平衡常数KL-Z,可以调整罗丹明的细胞渗透性和荧光性质。之前的研究对于罗丹明的改造主要集中在扩增其桥环原子中,即1X-罗丹明。其中X=O,C(CH3)2,Si(CH3)2具有广泛应用,但其荧光发射波长都<700nm,无法到达“组织透明”的近红外窗口(700-1700nm)的要求,难以被应用于体内成像。而X=OPPh,SO2虽然波长已经>700nm,但他们大多以无荧光的内酯状态存在,也无法被应用。
本文作者提出了一种双桥策略来构建新的罗丹明支架,即2X-罗丹明(2XR)。为了使罗丹明的发射波长红移,作者提出在发色团核心中,增加乙烯基以扩大共轭体系,最终导致发射波长红移。同时为了增强结构的刚性以减少非辐射衰变,作者加入两个桥联原子,以构建刚性的并环骨架。
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作者首先对2XR进行了理论计算,其中两个桥联原子X1,X2由NCH3,O,S,C(CH3)2,Si(CH3)2之间组合。他们计算了这25种物质的LUMO及HOMO,选择了LUMO能量与1X-罗丹宁中应用最广泛的X=SiRh相同的(S,C(CH3)2)组合做后续的合成,因为他们认为相同的LUMO能量可能表明他们具有相似的KL-Z,同时由于共轭体系的扩大,该分子会表现轻微的红移。
作者后续合成了染料2XR-1和2XR-2。其中2XR-1中邻位羧基被取代为甲基,从而无法形成内酯,从而具有“永远开启”的荧光特性。在乙醇中,作者测定了这两个染料的荧光性质,发现他们都具有强的近红外吸收、765nm的发射和高的量子产率。
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作者后续通过葡聚糖2XR-1偶联物和与PD-L1抗体和2XR-1抗体偶联物验证了2XR作为体内成像的荧光剂的潜力。作者还评估了2XR-2在蛋白质标记、近红外化学遗传传感器、小鼠体内近红外成像的表现。以小鼠体内成像为例,作者在体外标记表达Halo Tag的细菌后,在小鼠胃里施用,观察到了细菌从胃到小肠的迁移。在使用rAAV病毒在皮层神经元表达Halo Tag-mCherry融合蛋白后,静脉给药带有Halo Tag配体的2XR-2(即2XR715-HTL),也可以观察到荧光与mCherry成功共定位,表面染料具有穿过血脑屏障的特点。此外编码H2B-Halo Tag的质粒通过尾静脉流体动力学注射递送至小鼠肝脏,8小时后静脉给药2XR715-HTL,对照小鼠没有变化,而实验组小鼠荧光增强。
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总的来说,本文发展了一种新型罗丹明染料支架2X-罗丹明,该染料由于其近红外波长,高亮度和高KL-Z值,可适用于体内成像和化学遗传学标记等。
本文作者:YDP
责任编辑:LYC
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03485
文章引用:Doi:10.1021/jacs.4c03485


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