脂滴靶向碳点的理性设计及其细胞成像应用研究

作     者：王军丽 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：屈凌波

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 07[理学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：碳点 脂滴 动态行为 非酒精性脂肪肝病 肝细胞癌 极性 

摘      要：脂滴作为一种高度动态的细胞器,不仅在脂质代谢与储存、细胞凋亡和细胞器互作等细胞生理过程中发挥着重要作用,而且与动脉粥样硬化、脂肪肝甚至肝癌等疾病的发生发展存在密切联系。因此,开发一种脂滴特异性荧光探针用于可视化脂滴动态和相关疾病方面的研究对于揭示脂滴动态行为及相关生理学和病理学作用具有重要意义。碳点作为一种具有优异光学性质、良好生物相容性和高稳定性等优点的荧光纳米材料,在生物传感、生物成像和癌症诊疗等领域展现出广阔的发展前景。以碳点作为荧光探针,实现对不同细胞器的可视化成像是一项基础且重要的工作,为推动细胞器特定生理/病理作用的研究及促进相关疾病预后和治疗策略的开发、改进与完善提供了宝贵经验。然而,目前基于碳点的脂滴特异性探针还鲜少报道,且缺乏理论指导其设计合成。因此,为解决这一问题,本论文以脂滴为研究对象,从脂滴自身特性出发,设计、合成了新型红色荧光碳点,进一步对碳点特异性靶向脂滴的成像性能、可视化脂滴动态行为以及诊断脂滴相关疾病的潜能进行了系统探究,以期推动脂滴相关研究的进展。开展工作如下:1.基于定量构效关系理性设计脂滴靶向碳点及其应用。目前脂滴特异性靶向碳点的设计合成缺乏一定的理论指导。针对这一问题,本工作依据脂滴高度疏水的特性,通过引入定量构效关系(QSAR)用以指导设计合成脂滴靶向型碳点。在QSAR策略的指导下,以对苯二胺为前体基本骨架,通过调控其氨基取代基增加碳源前体的疏水性,成功将对苯二胺衍生的核仁靶向亲水性碳点转化为4-哌啶苯胺衍生的具有固有脂滴靶向能力的疏水性碳点(PA CDs)。研究表明,PA CDs具有长波长荧光发射(645nm)和大Stokesshift(120nm)的特点,并因其疏水特性可以选择性的富集在脂滴中。细胞成像结果表明,PA CDs不仅具有超快/免洗的脂滴成像能力,而且能够用来监测脂滴在相关生理过程中的动态行为变化,并成功实现双酚A诱导引起的非酒精性脂肪肝病样变化的可视化成像。本工作开发的脂滴靶向碳点有望用于代谢疾病与癌症的病理过程等方面的研究。此外,本工作所发展的基于QSAR制备脂滴靶向碳点的方法也有望为开发多种细胞器靶向碳点提供重要指导。2.基于脂滴极性的肝细胞癌特异性识别荧光碳点的理性设计及其应用。肝细胞癌(HCC)是一种高侵袭性、高死亡率的恶性肿瘤。为实现HCC细胞和其他细胞的准确区分,根据HCC细胞脂滴极性低的特点,迫切需要开发一种以脂滴作为诊断标志物并对极性变化敏感的碳点。在上一个工作的基础上,根据QSAR的指导选择具有较高疏水性的N,N-二乙基对苯二胺作为碳源前体制备合成了脂滴靶向碳点(Et-CDs),其具有Stokes shift大、亮度高和光稳定性强等优点。Et-CDs表面具有多个氨基、羟基、羰基和亚氨基等供/吸电子基团,在Et-CDs中形成了增强型的分子内电荷转移效应,赋予该碳点敏锐感知极性微小波动的能力。细胞成像结果证实,Et-CDs对脂滴极性差异的敏感使其仅在HCC细胞中表现出强而稳定的荧光,实现了 HCC细胞和其他细胞的荧光高对比度区分。同时以脂滴作为标志物,Et-CDs被成功用于评估常用抗肝癌药物索拉非尼对HCC的治疗效果。本工作开发的具有HCC识别能力的脂滴碳点有望为荧光成像引导下的HCC诊断、药效评估与开发及阐明脂滴相关疾病的生物学过程与病理机制提供一定的指导。