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基于TAM自由基的靶向细胞内EPR分子氧探针的开发及性能研究
结题报告
批准号:
81201126
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
刘阳平
依托单位:
学科分类:
H2706.分子影像
结题年份:
2015
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
戴惠、李承红、房煊、丁雨竹
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中文摘要
电子顺磁共振(EPR)技术因其无创性、灵敏性及特异性,已发展为重要的氧测量及成像技术。近年来,四硫取代三苯甲基(TAM)自由基优越的波谱性质、高度的氧气敏感性及稳定性使其在EPR测氧和成像方面表现出极大的潜力。然而,原初TAM自由基的膜不可透性及合成方法的局限性制约了其在生物医学领域的广泛应用。鉴于此,本项目拟1)设计新的合成方法,开发两类新的TAM母体化合物并对其衍生化,构建高稳定、高灵敏、生物相容且分别靶向细胞质、线粒体或细胞外的氧探针;2)通过对探针物理化学性质的表征及在细胞和活体层面的性能测试,确定其最大使用剂量、体内分布、靶向性能与靶向机理等,总结出对氧探针的设计与合成具有指导意义的规律;3)以小鼠心肌缺血再灌注损伤模型为研究对象,阐明靶向探针在检测与成像细胞内外氧浓度以及浓度梯度的实用性,为该类氧探针在与氧相关疾病的发病机制研究及其诊治的应用前景提供直接的实验证据。
英文摘要
Owing to the noninvasive nature, sensitivity and specificity, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy/imaging in tandem with the use of exogenous paramagnetic probes, has been established as an important technique for the in vivo measurement and mapping of oxygen (O2). Unfortunately, the full potential of this technique has not been realized mainly due to lack of suitable paramagnetic probes. Recently, tetrathiatriarylmethyl (TAM) radicals show great potential in the EPR measurement and imaging of O2 owing to their unique sharp EPR singlet, high O2 sensitivity and biostability. However, their biomedical application has been hampered by the lack of affordable large-scale synthesis. In addition, the original TAMs are cell-impermeable due to their anionic state at physiological pH and thus their application is merely limited to the extracellular fluid. To address these, this proposal consists of a research plan of 3 aims: 1) to develop the new synthetic procedure enabling efficient synthesis and scale up for two TAM parent radicals with improved properties and then derivatize these two TAMs as novel high sensitivity oximetry probes with good biocompatibility for targeted extracellular or intracellular O2 measurement; 2) to physicochemically characterize these new oximetry probes and determine their maximal nontoxic doses, kinetics of uptake, metabolism and clearance as well as cellular and subcellular biodistribution in cells and mice; 3) to evaluate and apply TAM probes for in vivo targeted O2 measurement and imaging in mouse models of myocardial ischemia-reperfusion injury. Because of the central importance of O2 concentrations and localized concentration gradients in normal physiology and disease, these novel probes will uniquely provide critical information enabling the understanding of disease mechanisms leading to improved treatments.
电子顺磁共振技术持有对检测体系无干扰、无创性、高选择、可重复连续检测以及具有合适的磁场穿透深度等重要特质,适用于体外和在体监测或成像氧气、pH以及氧化还原态等生理参数。探针的开发是拓展EPR在生物医学领域应用的关键,很大程度上决定了EPR测量的准确性和灵敏性以及成像的分辨率。四硫取代三苯甲基(TAM)自由基因其具备狭窄的EPR单线信号、较长的弛豫时间、高度的水溶性、良好的生物相容性以及稳定性等优点而成为目前最理想的EPR测氧探针。然而,TAM自由基在组织内分布浓度低,且易与白蛋白分子绑定等缺点限制了它们在生物医学领域的广泛应用。本项目旨在开发高性能亚细胞靶向的TAM探针,改善TAM的生物分布,以期增强其在生物医学领域的应用潜质。研究工作的主要进展和已取得的研究成果如下:1)阐述了TAM自由基CT-03与白蛋白分子的相互作用机制,为测氧探针的设计提供了新思路。2)为解决TAM自由基与白蛋白分子的绑定作用问题,我们设计合成了聚乙二醇化的TAM自由基,考察了聚乙二醇的链长及个数对TAM自由基EPR性质、自聚集趋势以及氧化还原稳定性的影响,得到了一个高性能的聚乙二醇化的,并可作为细胞外测氧探针的TAM自由基——dTNP1。3)开发了新的侧链单取代TAM自由基。这类自由基将在氧化还原探针、自旋标记物以及DNP极化试剂开发方面有更为可观的应用前景。4)首次将TAM-nitroxide(TN)双自由基作为高场动态核极化试剂进行了研究,结果表明这类双自由基在800MHz核磁上的信号增强效果是目前最好的(ε = 65)。该研究创新性地拓展了TAM自由基的应用领域,同时提示我们,这类双自由基十分有望进一步提高核磁共振技术的灵敏性,进而推动核磁技术在生物大分子结构表征方面的应用。5)系统研究了TN双自由基与环糊精之间的主客体超分子相互作用。该研究对有效调节TN双自由基的自旋相互作用强度及其对还原物质的稳定性有重要意义,为动态核极化试剂、氧气以及氧化还原探针的设计提供了新思路。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1039/c3nr04559e
发表时间:2014-01
期刊:Nanoscale
影响因子:6.7
作者:L. Du;Saipeng Huang;Qianfen Zhuang;Hongying Jia;A. Rockenbauer;Yangping Liu;Ke-Jian Liu;Yang Liu-Yang-L
通讯作者:L. Du;Saipeng Huang;Qianfen Zhuang;Hongying Jia;A. Rockenbauer;Yangping Liu;Ke-Jian Liu;Yang Liu-Yang-L
Efficient Dynamic Nuclear Polarization at 800 MHz/527 GHz with Trityl-Nitroxide Biradicals.
使用三苯甲基氮氧双自由基在 800 MHz/527 GHz 下实现高效动态核极化。
DOI:10.1002/anie.201504292
发表时间:2015-09-28
期刊:Angewandte Chemie (International ed. in English)
影响因子:--
作者:Mathies G;Caporini MA;Michaelis VK;Liu Y;Hu KN;Mance D;Zweier JL;Rosay M;Baldus M;Griffin RG
通讯作者:Griffin RG
Synthesis of a Fluorescence Labeled Spin Trap and Its ESR Study
荧光标记自旋陷阱的合成及其ESR研究
DOI:10.7503/cjcu20140201
发表时间:2014-11
期刊:Chemical Journal of Chinese Universities
影响因子:--
作者:Du Libo;Liu Yangping;Zhou Jianwei;Liu Yang
通讯作者:Liu Yang
Characterization of the Binding of the Finland Trityl Radical with Bovine Serum Albumin.
芬兰三苯甲基自由基与牛血清白蛋白结合的特征。
DOI:10.1039/c4ra04616a
发表时间:2014-01-01
期刊:RSC advances
影响因子:3.9
作者:Song Y;Liu Y;Liu W;Villamena FA;Zweier JL
通讯作者:Zweier JL
Supramolecular host-guest interaction of trityl-nitroxide biradicals with cyclodextrins: modulation of spin-spin interaction and redox sensitivity.
三苯甲基氮氧双自由基与环糊精的超分子主客体相互作用:自旋-自旋相互作用和氧化还原敏感性的调节。
DOI:10.1039/c5ob02450a
发表时间:2016-02-07
期刊:Organic & biomolecular chemistry
影响因子:3.2
作者:Tan X;Song Y;Liu H;Zhong Q;Rockenbauer A;Villamena FA;Zweier JL;Liu Y
通讯作者:Liu Y
基于trityl/nitroxide多自由基的高场动态核极化剂研发及其生物应用研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    刘阳平
  • 依托单位:
交换相互作用和弛豫时间可调的杂化双自由基的设计合成与高场动态核极化性能研究
  • 批准号:
    21871210
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    刘阳平
  • 依托单位:
新型双自由基氧化还原探针的开发及性能研究
  • 批准号:
    21572161
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    刘阳平
  • 依托单位:
国内基金
海外基金