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分子影像是指在活体上探究疾病中分子异常的发生,通过利用分子探针及组织特征提供图像的对比度,可以用于疾病的早期诊断和治疗评估。激活型分子探针本身的分子信号是“关闭”的,通过与特定的靶标作用后刺激分子信号“打开”,从而具有比较高的信噪比,用于分子的特异性成像。因此,激活型分子探针的研究引起了大家的广泛关注。本课题旨在设计几种激活型小分子探针和原位自组装纳米探针,用于生物学上相关的重要分子(如金属离子,阴离子,蛋白酶)以及自组装过程的高灵敏光学成像分析,有望用于相关疾病或癌症的早期诊断。本论文第二章中,我们设计了一种新的吡啶-双喹啉衍生物荧光团L用于有效地检测缓冲溶液和活细胞中的焦磷酸(PPi)和硫化氢(HS-)。L可以选择性地与IB和IIB族的金属离子(Mn+)以1:1的化学计量比配位形成L-Mn+络合物,荧光通过光致电子转移(PET)的机制猝灭。L-Zn2+复合物可以用于竞争性与PPi配位形成一个新型复合物,荧光增加了 21倍。L-Cu2+的复合物可以通过HS-解络合诱导的25倍荧光增加用于HS-的高灵敏度检测。我们成功地将这两种复合物分别应用在活细胞中连续成像Zn2+和PPi,Cu2+和HS-。由于PPi和HS-在血管钙化中呈正相关的关系,我们的多功能探针L有望在不久的将来可以帮助医生更准确地诊断这种疾病。本论文第三章中,我们设计了两个γ-谷氨酰转肽酶(GGT)可剪切的生物发光(BL)探针 GluAmLH2(1)和 Glu-p-aminobenzyloxycarbonyl-AmLH2(2),成功地用于GGT活性的体外和体内高灵敏度和高选择性检测。结果表明,虽然2比1有较低的BL背景信号,但是GGT对1的催化效率高于2,所以1在活细胞和肿瘤中的GGT活性检测上优于2。我们设想我们的探针1在不久的将来可以广泛应用于GGT相关疾病的动物模型诊断。本论文第四章中,通过将水凝胶前体1P和化学发光(CL)底物2与碱性磷酸酶(ALP)一起孵育,我们可以使用CL直接表征和成像同时发生的水凝胶成胶过程。ALP对1P和2的去磷酸化反应的动力学常数Kcat/KM彼此接近,表明2是1P水凝胶成胶的理想CL指示剂。通过改变2的量,我们发现在2/1P为0.071时,可以同时达到其CL峰和凝胶点,实现了用CL精准表征水凝胶的凝胶点。使用IVIS光学成像系统,我们获得了 2的实时CL图像用于追踪同时发生的1P的水凝胶成胶过程。有趣的是,即使是一种抗癌药物(如阿霉素)被加入到系统中,我们仍然可以使用CL来追踪水凝胶的成胶过程。我们设想我们的CL方法可以在不久的将来用于追踪更多的生物过程。本论文第五章中,通过采用点击缩合反应设计了单重猝灭的探针Cys(StBu)-Lys(Gly-Lys(DABCYL)-Gly-Gly-Arg-Arg-Val-Arg-Gly-FITC)-CBT(1),我们开发了“智能”双重猝灭策略并将其应用于细胞内灵敏度增强的弗林蛋白酶活性检测。在生理条件下,1受到还原控制的缩合反应形成1-NPs伴随着荧光强度进一步降低到原来的1/2.8。在体外的弗林蛋白酶剪切后,双重猝灭的1-NPs的荧光“打开”信噪比是单重猝灭的对照探针FITC-Gly-Arg-Val-Arg-Arg-Gly-Gly-Lys(DABCYL)-Gly-OH(1-P)的 11 倍。活细胞成像结果表明在细胞内弗林蛋白酶的活性检测中1的荧光“开启”信噪比是1-P的6.3倍。我们设想通过用其他蛋白酶的底物取代RVRR底物,我们的多功能“智能”双重猝灭策略可以很容易地调整用于灵敏度增强的细胞内其他蛋白酶的活性检测(或成像)。