【创新前沿】《美国化学会志》报道药学院甲醛荧光探针研究领域新进展

    近日，化学领域顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）以“Analyte Regeneration Fluorescent Probes for Formaldehyde Enabled by Regiospecific Formaldehyde-Induced Intramolecularity”为题，报道了我校药学院在甲醛荧光探针研究领域的新进展。

    甲醛是一种常见环境挥发性污染物和致癌物之一。甲醛也是体内内源性一碳代谢中间产物，是某些氨基酸和DNA碱基生物合成中必需的一碳合成单元，与DNA和组蛋白的去甲基化、基因调控、癌症和阿尔茨海默症等生理病理过程密切相关。由于甲醛在体内生成与转化的内平衡（homeostasis）受相关过程不同酶的调控，作为可能的体内信号传递分子，其浓度的时空变化与其生物活性的内在关联关系还不甚清楚。 因此，发展能对生物体系中的甲醛分子进行快速、灵敏、高选择性时空检测的甲醛探针对研究和阐明甲醛分子的生物学功能有重要的意义。

    另一方面，荧光探针可方便、灵敏、实时对生物样品中的待测物进行检测及成像，因而近年来得到了广泛的发展和应用。传统的反应型荧光探针在荧光信号产生的过程中会引起待测物分子的消耗，从而影响其浓度和内平衡。因此，如何在荧光探针的设计中引入待测物补偿机制成为荧光探针研究领域目前最受关注的难点之一。针对这个难点问题，论文作者提出了待测物再生荧光探针（Analyte Regeneration Fluorescent Probe）的概念，通过选择性捕获待测物，诱导探针的结构发生改变，在产生荧光变化的同时释放之前捕获的待测物分子。

图片说明：探针的结构和设计原理

    为验证待测物再生荧光探针概念的可行性，论文作者基于甲醛的诱导邻近效应设计开发了两个待测物再生型甲醛荧光探针NAP-FAP-1和NAP-FAP-2，其中NAP-FAP-2结构中包含溶酶体靶向基团吗啡啉，可以选择性地检测溶酶体中的甲醛。探针以3-（苄胺）琥珀酰亚胺为识别基团，萘酰亚胺为荧光团，通过全新的区域专一性甲醛诱导邻近效应选择性切断琥珀酰亚胺的1,5-酰胺键，生成六元环的氮杂内酯，进一步水解可生成荧光产物，并释放甲醛分子，实现对甲醛分子的荧光检测。在反应过程中，同时利用ICT和PeT双淬灭效应实现了荧光增强检测信号与甲醛再生在时间上的同步。文章作者也通过细胞成像和酶标仪实验对两个探针的生物学应用进行了初步验证。结合两个探针的实验数据，首次证实了HeLa细胞用四氢叶酸培养后溶酶体中可生成内源性甲醛。

    该论文报道的待测物再生型甲醛荧光探针能在甲醛荧光检测信号产生的同时实现甲醛的再生，因此可以实现对生物体系中甲醛浓度的干扰的最小化，为甲醛的生理、病理和信号传递通路的研究提供新的化学生物学工具。同时，诱导邻近效应和“待测物再生荧光探针”概念可以为其它活性代谢分子的荧光探针研发提供新的设计思路。

图片说明：结合两个探针可以比较HeLa细胞分别用甲醛（左）和四氢叶酸（右）

处理后细胞质和溶酶体中甲醛的相对浓度

    该论文的第一作者为博士研究生徐航，王卫教授和楼开炎副教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委项目和生物反应器国家重点实验室的支持。

    原文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b09794