生物内源性SO2的荧光检测

2022-05-12温雨欣巢晖

大学化学 2022年3期

温雨欣，巢晖

中山大学化学学院，生物无机与合成化学教育部重点实验室，广州 510006

1 引言

一氧化氮分子(NO)曾是一个普通的无机分子，一度被认为是废气和空气污染物，人们很难将它与生物体内的健康调控联系起来。然而，1998年三位美国科学家因发现“NO在心血管系统中起信号分子作用”而共同获得诺贝尔生理学或医学奖，自此以后，以NO为代表的无机小分子气体作为气体信号分子在生物体内的作用引起了科学家们的关注并前赴后继。早些年科学家气体信号分子的研究主要集中在NO、CO和H2S，如Lippard课题组[1]开发了一组基于金属复合物(Co(II)、Fe(II)、Ru(II)、Rh(III)和Cu(II)复合物)开启荧光的NO传感器；林伟英课题组[2]基于硝基还原反应开发了一种新的CO荧光探针用于检测活细胞溶酶体中的CO，唐波课题组[3]构建了一种基于氰的近红外比率型荧光探针以进行快速且高灵敏度地检测内源性H2S等，这些研究的发现又在一定程度上促进了化学家们对活体内气体信号分子的探索。

但是，尽管化学家对上述几种气体信号分子有较为全面且深入的研究，却对内源性SO2的研究和示踪鲜有报道，使得SO2只能以空气污染物和酸雨的成因长期存在于人们的视野，误以为其只能外源性产生和摄取而忽略了其在生物体内的作用。然而，近年来，随着生物体内检测技术的提高和检测范围的扩大，人们逐渐注意到SO2不仅能在生物体内内源性生成，而且作为气体信号分子在生物体中起到调控作用，调节某些mRNA和蛋白质的表达并影响生理系统的正常运转。本文就SO2在生物体内的内源性生成、生理作用和荧光检测三大方面进行阐述，旨在向读者揭示SO2鲜有人知的一面，即作为信号分子如何在生物体内发挥作用，并综述了近年来化学家们对内源性SO2进行检测和复杂的代谢循环示踪的探索过程。

2 生物体内SO2的来源与作用

作为气体信号传送器，SO2在生物体内的调节作用不容小觑，在维持细胞内氧化还原稳态方面发挥着至关重要的作用。与多数内源性活性物质相似，内源性SO2在不同的生理浓度下发挥着不同的作用，可分为低浓度的生理调节作用和高浓度的毒理作用：在低浓度的时候，SO2可以起到抗氧化、减少炎症以及抗抑郁和抗焦虑的作用，特别是在血管调节方面，SO2与抗高血压、抗动脉粥样硬化和抑制血管硬化的调节作用密不可分[1]；但在高浓度的时候，SO2会引起某些呼吸道疾病、神经系统紊乱甚至是癌症[6]。因此，高效检测生物体内的SO2显得尤为重要。

3 生物体内SO2的检测

3.1 SO2的荧光检测原理

这些探针在生物体内实现对SO2特异性检测最重要的是要有合适的反应位点，而SO2与反应位点的特异性结合恰恰是基于我们耳熟能详的一些基础反应，特别是亲核加成反应，主要可以分为SO2催化乙酰丙酸酯水解、SO2与醛基的加成反应和Michael加成反应三种(图1)。

图1 三种亲核加成反应的检测原理

(1)SO2催化乙酰丙酸酯水解。

化学家常用乙酰丙酸酯来保护官能团，而荧光可以通过保护羟基而淬灭[8]，故利用乙酰丙酸酯可被SO2催化而水解的性质可以起到“光开关”的作用，使荧光信号发生变化，实现对SO2的存在性检测。华中师范大学冯国强课题组[9]基于乙酰丙酸酯脱保护的机理开发了一种用于亚硫酸盐阴离子的近红外(NIR)荧光探针(probe 1)，该探针使用萘的硫化物作为NIR荧光素和两个乙酰丙酸基团的反应点，并对二甲基亚砜-磷酸(DMSO-PBS)缓冲液中亚硫酸盐阴离子开启荧光信号变化以及做出快速且高选择性的反应。

(2)SO2与醛基的加成反应。

山西大学张永斌课题组[10]基于在弱酸性条件下亚硫酸氢盐与醛基的特定亲核加成反应可以形成氢键设计了一种能在生物体内快速有效识别SO2的荧光探针(NA-CHO)。由于氢键的存在，醛连接的肼与SO2结合形成一个五元环，而其他硫醇因空间位阻而不能形成五元环，故该探针可以在生物体内特异性检测SO2而不受其他硫活性物质的干扰。

(3)Michael加成反应。

山西大学阴彩霞课题组[11]通过Michael加成反应成功构建了双位点功能化NIR荧光探针(NIRSP)，该探针能够用于检测生物体内SO2浓度的高低，表现出具有红色荧光响应的低浓度SO2和具有蓝色荧光增强功能的高浓度SO2，具体来说，该探针能够辨别SO2浓度的高低是基于NIR-SP中不饱和C＝C双键(位点1)反应性优于醛基(位点2)而实现的，由此我们可以通过SO2结合不同反应位点所产生的荧光信号的不同来判别其浓度的高低。

3.2 外源性SO2的荧光检测

图2 荧光探针1的检测原理[13]

3.3 内源性SO2的荧光检测

图3 荧光探针SP-2与的反应原理[14]

图4 在不同扫描深度(80–160 μm)大鼠脑部海马体切片内亚硫酸盐的荧光成像[16]

这些实验及其结果在一定程度上为SO2作为生物体内信号分子的观点提供了实验支撑，同时也为检测内源性SO2并进行代谢示踪奠定了良好的实验基础。

3.4 SO2荧光探针的分类

当前，随着时代的发展，各种材料的结合逐渐凸显出其性能上与众不同的优越性，检测SO2的荧光探针的发展也不仅仅局限于单一的结构和材料，故按材料我们大致可以将其分为金属配合物荧光探针、有机小分子荧光探针和纳米材料荧光探针三类。

(1)金属配合物荧光探针。

图5 金属配合物荧光探针Ir4[20]

(2)有机小分子荧光探针。

有机小分子荧光探针是最常见的检测生物体内气体信号分子的一种探针，通过荧光基团和能与目标分子发生特异性反应的有机小分子基团杂交，调节其在生物体内的稳定性从而具有生物成像能力。中南大学宋相智课题组[19]将带正电的苯并吡喃和香豆素结合，开发了一种具有优异水溶性和高选择性的近红外荧光探针(Probe 2)(图6)，该荧光探针可在生物系统中定量和特异性检测SO2。

图6 有机小分子荧光探针Probe 2

(3)纳米材料荧光探针。

石墨烯量子点(GQDs)是一种性能优越的纳米碳材料，例如高量子产量、良好的水溶性和生物相容性[21]，且因为GQDs和有机分子探针之间的π-π相互作用，它们之间可能会存在FRET效应[22]，这些均为应用于生物成像提供了可能性。基于这一点，济南大学林伟英课题组[23]开发了一种独特的多比例复合荧光探针(CP@GQDs-OH)(图7)，该新型纳米材料荧光探针对SO2具有三种线性比例变化的高选择性，成功应用于检测活细胞和斑马鱼中的SO2，为多比例荧光探针的开发开辟了新的道路。

图7 多比例复合荧光探针CP@GQDs-OH

4 生物体内SO2代谢的荧光示踪

新陈代谢是一个生物体健康运作所必需的生命过程，监测生物体内各物质代谢的复杂过程已成为化学家和生物学家所关注和面临的重要问题。随着对SO2的亲核加成反应的不断深入以及联合各种协同机制，化学家们不愿仅仅停留在检测生物体内源性SO2的有无以及含量上，更多的是开始考量SO2在复杂体系所充当的角色以及思考如何对SO2在体内的代谢进行示踪，以期许更全方位地了解SO2与生物健康的关系。

山西大学阴彩霞课题组[24]通过ICT-FRET协同机制合理设计并利用了一种新的多信号荧光探针(Mito-CM-BP)同时检测谷胱甘肽(GSH)及其代谢物SO2，该探针实现了在两个独立通道中可视化从GSH到SO2的新陈代谢过程并且无光谱交叉干扰(图8)。具体来说，基于通过哺乳动物体内的硫磺转移酶(硫转移酶)，Na2S2O3可以结合GSH从而产生内源性二氧化硫衍生物[25]，亚硫酸盐氧化酶(SUOX)的存在可以将亚硫酸盐氧化成硫酸盐[26]的背景，通过与探针预处理的细胞与Na2S2O3孵化一段时间后GSH的消耗过程来评估Mito-CM-BP监测GSH代谢的能力；然后以RNA干扰降低了细胞中的SUOX水平为理论基础，通过敲除siRNA-SUOX后细胞表现的荧光变化来说明siRNA对SUOX活性的抑制将会导致细胞内SO2水平的增加，从而表明了该探针能用于实时示踪活细胞中SO2的新陈代谢过程；最后通过在肿瘤模型中检测SO2代谢过程的能力，进一步说明了该探针可以作为可视化生物体内SO2代谢过程的有力工具。