关键词:
汞离子
生物活性物质
荧光探针
成像分析
氧化应激
摘要:
汞(Hg)是毒性最强的重金属之一,具有生物富集性,并且在生物体内难以降解,长期暴露可导致慢性中毒,对生态环境和人类健康构成严重威胁。汞通常通过食物链进入人体并蓄积,即使是低浓度的汞离子(Hg2+)也会对心脏、肾脏、胃和肠道造成破坏性影响,导致生理机能失调,引起代谢紊乱、运动和认知以及感觉功能障碍,对身体造成不可逆转的损害。Hg2+诱导的氧化应激在汞中毒的病理机制中也起着至关重要的作用,然而汞中毒是如何扰乱人体正常的生理过程以及汞胁迫下内源性活性物质的浓度波动的具体机制,目前科学研究尚未完全明晰,仍需要深入探索。荧光成像分析技术因其高灵敏度,高选择性,以及原位监测的优点,可以对待测物实现无损、实时的监测,有效用于生理和医学诊断。本论文利用荧光探针监测汞离子,并对汞离子胁迫下生物内源性活性物质过氧亚硝基阴离子(ONOO-)和锌离子(Zn2+)的浓度、分布及波动情况进行原位监测和成像。探究汞离子的作用规律,揭示汞离子污染对人类健康产生的影响。本文的研究内容如下:
(1)荧光探针用于环境和生物系统中Hg2+的荧光成像
低浓度Hg2+的检测及其作用机制研究是当前的研究热点。本论文设计合成了两个荧光探针(NP-1和NP-2)用于Hg2+检测。两种探针对Hg2+的荧光响应是由Hg2+与杂原子N、S的配位引起的。其中,NP-1基于激基缔合机理对Hg2+有较高选择性和优异的灵敏度,且检测限超低(LOD=1.98 n M)。该探针不仅适用于环境水样中低浓度的Hg2+监测,而且还能用于细胞内及豌豆芽中Hg2+检测。
(2)近红外荧光探针用于环境样品和生物体系中的Hg2+成像分析
在前期研究中,两种荧光探针的检测波长较短,且由于Hg2+的高亲电性,与蛋白质(含氧、硫和硒)结合力强,在细胞内易与生物硫醇络合,导致探针检测细胞内的Hg2+灵敏度低。为了探究汞中毒在细胞内的复杂机制,基于Hg2+与杂原子N、S、O的配位作用,本论文设计了一种以硫代吗啉为识别基团的半花菁近红外荧光探针HCYS,基于Hg2+的螯合效应和重原子效应,通过抑制探针分子内电荷转移过程,从而使HCYS的荧光强度发生显著变化,实现了对Hg2+的监测。探针HCYS对Hg2+显示出选择性好,高灵敏度且响应速度快(1 min),良好的水溶性,低毒性和生物实用性。研究结果表明探针HCYS可在不同水样、细胞、斑马鱼和豌豆芽中实现Hg2+荧光成像分析,进一步证实了探针对Hg2+污染的监测能力。
(3)汞离子胁迫下过氧亚硝基的检测与成像分析
汞离子胁迫能够引起机体损伤和复杂的生理及病理过程,导致氧化应激和线粒体功能障碍,诱导活性氧物种(ROS)爆发。ONOO-作为典型的ROS物种之一,在生物体内发挥着重要作用。ONOO-的失调和过度表达与炎症、神经退行性疾病和器官损伤过程高度相关。因此,迫切需要开发具有高选择性和高灵敏度的分子工具来监测细胞内ONOO-含量。本论文在丙二腈衍生物中引入ONOO-的识别位点苯硼酸,设计合成了荧光探针DICY。探针DICY具有快速开启荧光信号、高灵敏度和对ONOO-高选择性的特点,成功用于检测Hg2+胁迫下细胞内源性ONOO-的浓度和分布。探针DICY进一步揭示脂多糖(LPS)、佛波醇-12-肉豆蔻酸酯-13-乙酸酯(PMA)和Hg2+诱导的氧化应激与ONOO-的关系,并构建了不同浓度的汞离子胁迫模型,探索不同汞离子剂量诱导的ONOO-的变化情况。实验结果表明,汞离子胁迫会诱导ONOO-增加,而细胞内ONOO-浓度的增加在一定程度上造成了细胞氧化应激损伤,为阐明汞离子中毒相关的病理机制提供有利证明。
(4)汞离子胁迫下锌离子的检测与成像分析
Zn2+是人体内必需的金属离子,在调节金属酶的功能以及参与信号传导、基因转录方面都发挥着非常重要的作用。细胞内汞离子暴露会导致ROS的爆发,引起氧化应激。在氧化应激条件下使细胞内的锌流失,导致癌症、心血管疾病和神经性疾病的发生。本论文中设计合成荧光探针HBT-Zn-Red,对Zn2+有较好的选择性和高灵敏度,能快速、原位、可视化检测细胞和斑马鱼中的内源性Zn2+。通过荧光成像分析,探针HBT-Zn-Red成功监测了汞离子胁迫下细胞内Zn2+的波动。结果表明探针HBT-Zn-Red有望成为一种有效的荧光工具,用于阐明汞中毒胁迫下Zn2+的流失水平,通过深入了解汞中毒相关的生理或病理过程,为相关疾病的诊断提供帮助。