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【材料】山西大学郭炜/郑州大学孙远强JACS:新型Cardipys正离子荧光染料揭示了线粒体毒性亲电体的细胞转运机制

发布:RuiChaoDong    |    2020-10-18 00:32    阅读:280
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由于可视化、非侵入性、高敏感性和实时监测等优点,荧光技术是目前生物医学研究最强大的工具之一。利用该技术,可以实现活细胞或活体内生物活性物质的影像和追踪,大大提高了人们对生命机制的理解,也促进了药物开发、临床诊断和疾病治疗。荧光染料是荧光技术的物质基础,它的优劣直接影响了该技术的应用效果。然而,与近年来荧光硬件技术的快速发展相比,荧光染料的发展相对缓慢,许多当前使用的荧光染料仍然存在荧光亮度低、生物兼容性和光稳定性差等方面限制。硼-二吡咯亚甲基染料(Bodipys)是一类荧光量子收率高、发射带宽狭窄、光稳定性好、环境敏感性低、可修饰位点多的荧光染料。自从1968年首次报道以来,该类染料已广泛应用于生物大分子的荧光标记和荧光探针的构建。不仅如此,近年来Bodipys染料在光动力治疗(PDT)领域也得到了额外的关注,可以说,基于Bodipys染料的光敏剂是继传统卟啉光敏剂之后最具开发和应用潜力的PDT光敏剂。然而,Bodipys染料主要的缺点是其强的脂溶性以及由此导致的低水溶性,该缺点不仅使Bodipys染料在水溶液中易于形成非荧光的聚集体,而且使其难以与生物流体(如细胞培养液)兼容,从而降低染料的细胞或组织利用度。而且,Bodipys染料强的脂溶性提高了其在细胞脂溶性环境中的聚集,导致非特异性染色,影响了细胞事件的准确判断。

      近日,山西大学郭炜教授团队和郑州大学孙远强副教授合作,通过对传统Bodipys染料进行“B→C”单原子改造,开发了一类具有正离子特性的“碳-二吡咯亚甲基染料(Cardipys)”及其可见及近红外衍生物(图1、图2)。研究表明,Cardipys染料不仅保留了传统Bodipys染料优良的光物理性质,而且表现出比Bodipys染料更好的水溶性和光稳定性。值得注意的是,与广泛应用的正离子型罗丹明染料相比,Cardipys染料不存在“扭曲的分子内电荷转移(TICT)”荧光淬灭机制,因此在水溶液中展现出更高的荧光量子收率(部分染料接近1)。重要的是,由于正离子特性,Cardipys染料极其容易穿透细胞膜并特异性靶向到负性膜电势更大的线粒体中,因此为研究线粒体功能提供了优良的影像工具。

图1. Cardipys染料的合成及化学结构。

图2. Cardipys染料的吸收图谱(A)、发射图谱(B)以及365 nm紫外照射下的荧光颜色(C)。

进一步研究发现,几个具有Michael加成活性的Cardipys染料(2a-c/3a-c)被细胞摄入后,发生了从线粒体到溶酶体的细胞内转运(图3)。机理研究表明,这些Cardipys进入线粒体后,能在谷胱甘肽-S-转移酶(GST)的催化下与线粒体谷胱甘肽(GSH)发生Michael加成反应,导致GSH加合物的生成;该加合物然后在细胞转运机制的调解下迁移到了溶酶体,并在那里发生了反式-Michael加成反应,重新释放了Cardipys和GSH。鉴于GST是细胞内重要的二期解毒酶,主要催化GSH与内源或外源性亲电体发生共价结合而起到解毒作用,因此上述Cardipys染料的线粒体到溶酶体的细胞转运模拟了线粒体内GST/GSH脱毒系统调节的毒性亲电体的脱毒路径。线粒体是细胞呼吸作用的主要场所,除了为生命体提供能量之外,也产生大量的脂衍生的毒性亲电体(包括各种α,β-不饱和醛和酮),这些亲电体可通过烷基化DNA和蛋白而导致严重的细胞毒性,从而引发各种疾病。因此,上述Cardipys染料有望应用于探究线粒体GST/GSH脱毒系统受损相关的各种疾病,如神经组织退化性疾病和动脉粥样硬化等。

图3. Cardipys染料2b与MitoTracker/LysoTracker活细胞共染结果揭示了线粒体到溶酶体转运过程以及建议的转运机制。

该团队同时也发现,上述活性Cardipys的“线粒体到溶酶体”转运速率与细胞内GST的表达水平密切相关。例如,在GST高表达的癌细胞中,如药物抵抗的癌细胞(A549/ADM)和抗癌药(阿霉素-ADM、顺铂-cisplatin等)预处理的癌细胞,上述活性Cardipys的“线粒体到溶酶体”转运速率明显加快,由对比细胞的15 min提高到了5-6 min(图4)。而且,该团队证实了提高细胞内GSH浓度并不影响这些活性Cardipys的“线粒体到溶酶体”转运速率,该结果与酶催化反应的基质饱和现象是一致的。鉴于癌细胞GST的高表达与癌细胞药物抵抗能力密切相关,这些活性Cardipys染料在探究癌细胞药物抵抗机制以及在筛选更加有效的抗癌药方面也应具有大的潜力。

图4. 代表性Cardipys染料2b在A549细胞(A)、药物抵抗癌细胞A549/ADM(B)和抗癌药ADM/cisplatin(C,D)预处理的A549细胞中“线粒体到溶酶体转运”速率比较。

上述成果近期发表在Journal of the American Chemical Society,文章的第一作者是山西大学青年教师张洪星,合作作者为郑州大学孙远强副教授和山西大学硕士研究生刘梦星,通讯作者为山西大学郭炜教授和刘景教授。该研究得到国家自然科学基金、山西省青年拔尖人才支持计划等项目的资助。

消息来源:X一MOL资讯

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