通过连接糖类优化手性荧光探针的性质

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研究背景

BODIPY荧光团已经在生命科学的各个方面取得了非常大的进展。作为一种菁染料，它包含独特的氮封端单元，它们整合成两个平面吡咯部分，为中心螯合的BF2基团提供了强有力的锚点，从而提高了荧光团的分子刚性和荧光性能。

与花菁(罗丹明)的特殊结构性质不同，花菁(罗丹明)在其p-系统中带有正电荷，而BODIPY平台本身是不带电荷的，因此亲水性非常有限。此外，较大的分子刚性平面和C2v对称性容易触发荧光团本身或标记(生物)分子的聚集。这种聚集会对共轭过程、荧光成像中的图像质量、以及水介质(荧光探针、光敏剂等)的一般应用造成严重的限制。

另一方面，虽然羟基的数量增加通常能提高探针的水溶性，但它们的数量和排列对于在整个生命系统中进行大量的识别和信号传递过程至关重要。比如，人类血型的确定是基于血细胞表面不同的多糖残留物的暴露。

方案 1

虽然BODIPY已经通过各种方法(方案 1)提高水溶性，例如通过引入磺化、胺基、羧酸盐、PEG残基、或通过双环芳基取代的碳负离子。但大多数BODIPY都经历了繁琐的合成路线(磺化的肽基连接物)、加入不必要的PEG，或者是引入的电荷，这可能对探针有负面作用。此外，天然的BODIPY在衍生化过程后往往会受到很大影响。

本文工作

方案 2

在这里，作者提出了一种简单的合成路线(方案 2)，将一系列天然丰富的还原糖与BODIPY连接，转化为高荧光和具有良好水溶性的BODIPY衍生物。这种策略利用异构体中心作为初始吡咯缩合的反应位点，在不影响固有手性的情况下打开了所涉及的糖类的环状结构。虽然单糖因此失去了它们的环状形状，但双糖和三糖保持了它们额外环结构的结构一致性，这使得它们对生物分子识别分析特别有用。

正如预期的那样，该产物系列的水溶性强烈依赖于羟基的数量。戊糖衍生的物种在水中的溶解度非常有限，而连接二糖和三糖底物的GlycoBODIPY则接近于初始多糖的溶解度特征。此外，作者发现所有的最终产物都溶于四氢呋喃，这为一系列可选的官能化后提供了相容性。

(1)吸收和发射性能

图 1

所有的糖共轭化合物都表现出几乎与BODIPY支架的原型值一致的优异的吸收和发射性能。荧光量子产率在水甚至PBS缓冲溶液中接近90%。如图1，虽然结合的碳水化合物的类型对最终产物的主吸收带几乎没有影响，但一个或两个给电子的苯乙烯基团使发射波长红移到了574

nm和647 nm。

(2)5LFc的晶体结构

图 2

作者最终成功地获得了岩藻糖衍生物种5LFuc的晶体(图 2)。所有的立体中心都与起始原料L-岩藻糖中的单一构型相对应，表明在整个合成过程中手性不变。

(3)HeLa细胞中的共聚焦显微镜图像

图 3

在孵育1小时后，作者发现细胞很容易从细胞外培养液中摄取GlycoBODIPYs 5糖(c=7.5 mm；图3)。与天然BODIPY相比，这些染料的溶解度有了很明显的增加，后者甚至可以观察到在这些条件下聚集(图 3C)。

值得注意的是，作为整合手性的函数，检测到明显的亚细胞富集。5LFuc型和5LRha非对映异构体之间的差异最为显著。而5LRhais被排除在细胞核之外，5LFucis位于胞浆和细胞核内，并有效地染色核仁(图 3A、B)。这种比较显示了整合的手性信息在细胞环境中的功能性，以及它在合成重塑的多糖单元中的活性。

为了进一步分析染色模式和确定目标亚细胞成分，作者将所有的GlycoBODIPY与细胞器特异的荧光标记进行了共定位研究。尽管在任何情况下都没有明显的与溶菌素追踪器共定位的现象，但d-纤维二糖衍生的GlycoBODIPY 5Cely对线粒体染色显示出高度的特异性(图 3D-F)。

文献原文：Patalag, L. J.; Ahadi, S.; Lashchuk, O.; Jones, P. G.; Ebbinghaus, S.; Werz, D. B., GlycoBODIPYs: Sugars Serving as a Natural Stock for Water-soluble Fluorescent Probes of Complex Chiral Morphology.Angew Chem Int Ed Engl 2021,60(16), 8766-8771.

DOI：10.1002/anie.202016764