Chem Soc Rev ｜铁死亡荧光成像技术

一叶知秋117

原创 珍奇 图灵基因 2023-04-03 10:41 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学技术




撰文：珍奇
IF：60.615
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亮点：
本文探讨了(1) 荧光探针的开发对研究铁死亡的普遍意义；(2) 铁死亡的各种生物标志物及其基本原理；(3) 设计有机荧光探针用于铁死亡过程中各种生物相关分子和微环境的生物成像策略的最新进展；(4) 目前荧光探针在铁死亡生物成像方面的挑战；(5) 基于生物模型的多样性，未来研究铁吞噬作用的前景。




核心词汇：铁死亡（Ferroptosis）；荧光探针（fluorescent probes）；活性氧物种（reactive oxygen species，ROS）；反应性硫化物种（reactive sulfide species，RSS)

铁死亡是一种与Caspase依赖型细胞凋亡不同的调节性细胞死亡形式，在生命体中发挥着重要作用。由于铁死亡涉及各种复杂的调节因素，该过程中会发生多种生物物质和微环境的变化。因此，研究铁死亡过程中关键目标分析物的水平波动对疾病治疗和药物设计具有重要意义。2023年3月7日，广西大学林伟英教授课题组于《Chemical Society Reviews》杂志发表了一篇名为“Fluorescent probes for ferroptosis bioimaging: advances, challenges, and prospects”的综述。他们强调了荧光探针在细胞、组织和体内水平上监测铁死亡期间各种生物相关分子和微环境的最新突破性成果。




2012年Stockwell等人首次提出铁死亡的概念，在过去十年中该调节性细胞死亡形式受到越来越多的关注。铁死亡参与多种生理过程，铁平衡紊乱会导致各种疾病，包括贫血、癌症和神经变性疾病。因此，大量关于铁死亡的研究已被报道和总结。

目前为止，关于铁死亡的综述主要集中在两个方面：一方面，他们总结了基于谷胱甘肽/谷胱甘肽过氧化物酶4（GSH/GPX4）、铁代谢和脂质代谢及其他调节途径的铁死亡机制。另一方面，他们强调了作为诱导剂和抑制剂的化学物质，包括小分子和纳米粒子，以及它们在癌症治疗中的应用。然而除此之外，大量的生物活性物种，如活性氧（ROS）和活性硫化物（RSS），以及细胞微环境的因素，如极性、粘性、缺氧、pH值等，也参与了铁死亡过程。因此，监测铁死亡过程中重要目标分析物的水平变化至关重要。





铁离子类荧光探针
铁是维持生命的基本元素，是生物体内最丰富的过渡金属。它在多种氧化状态中循环的能力对于在生物系统中执行各种独特的功能非常重要，包括氧气运输、电子运输、基因调节、巨噬细胞极化和线粒体氧化呼吸链。即使在细胞水平，铁平衡也受到细胞器中复杂的铁运输机制网络的高度调节。正常的铁平衡对于维持生命和健康至关重要。然而，这种铁调控机制的功能障碍往往导致细胞严重的氧化损伤，并进一步诱发各种疾病。铁吞噬作用最显著的特点是临床上使用的铁螯合剂去铁胺（DFO）的抑制作用，这表明铁吞噬作用的过程需要铁。因此，理解铁吞噬过程中的铁的状态对调查生命至关重要。

2016年，第一个基于Fe(II)比率的荧光探针FIP-1实现了对铁死亡过程中Fe2+比率的监测。虽然取得了一些进展，但它仍存在短波长发射和低信噪比等缺点。2020年，一种可逆的比例计量的荧光探针DRhFe可以通过HEDTA对Fe3+的可逆螯合作用促进螺内酯转化为发光的罗丹明B。荧光Fe3+滴定显示，丹酰酰胺的发射在483纳米处明显减少，而罗丹明B的发射在576纳米处略有增加，表明Fe3+螯合形成的罗丹明B可以改变FRET机制，实现比率测定的Fe3+检测。






活性硫化物类（RSS）荧光探针
半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH）等含硫氨基酸（RSH）在调节铁死亡的氧化还原系统中发挥关键作用。2017年，一种基于可逆反应的探针RT可用于定量检测铁死亡期间的GSH水平。一般来说，硫醇介导的对a、b不饱和酮的亲核攻击是设计硫醇探针的经典策略。在这种策略下，硫醇（如Cys）在铁死亡期间被追踪。由于RSH的重要作用，由XC系统介导的细胞内半胱氨酸/胱氨酸池在摄铁过程中的动态功能应被进一步探索。除了在细胞水平上的探索外，应更多地关注在体内对RSH的监测。此外，在一些疾病包括癌症、糖尿病和其他病理过程中对RSH的监测，也是揭开铁蛋白形成面纱的重要突破口。





作为一种气体传输器，H2S在人体的生理和病理过程中发挥着重要作用。有证据表明，H2S是通过半胱氨酸分解产生的内源性物质。由于铁死亡抑制了半胱氨酸/谷氨酸转运器（XC系统），Cys吸收减少，导致H2S消耗。因此，H2S可作为代表性还原物监测铁死亡过程。





活性氧化物类（ROS）荧光探针
铁死亡是由铁积累引起的细胞内ROS的产生和降解不平衡的结果。次氯酸（HOCl）是一个重要的ROS成员，由过氧化氢（H2O2）与氯离子（Cl）反应产生，在铁死亡过程中起重要作用。众所周知，氯基具有高反应性，可以通过氯离子反应自发地与许多官能团发生反应。一方面，HOCl释放的Cl+的吸引力可以改变探针的分子间电子效应，从而实现发射特性。另一方面，被Cl+攻击的识别基团如N,N-二甲基硫代氨基甲酸酯可以被水解，然后进行自毁反应以释放荧光体。

利用这些策略，作者设计了Mito-QL探针来研究铁死亡期间HOCl浓度的变化。Mito-QL本身不发荧光，但由于二甲基苯胺和喹诺酮（黄色箭头）之间的扭曲分子内电荷转移效应（TICT），使其在HOCl的存在下获得了显著的荧光（590纳米），其中N,N-二甲基硫代氨基甲酸酯被HOCl产生的Cl+攻击，水解后自毁，从而产生荧光团QL。





此外，H2O2也是生物体有氧代谢产生的ROS的重要成员，在细胞内信号转导途径中作为信号分子发挥着重要作用。最近的研究发现，H2O2是在铁死亡过程中产生的。目前，大量基于反应的荧光探针因其操作简单、灵敏度高和非侵入性而成为H2O2成像的有前途的工具。其中，H2O2介导的硼酸/硼酸到酸到苯酚的转化反应是最常用的策略之一。





铁死亡是ROS相关的脂质过氧化物的铁依赖性积累的结果。已经证明，羟基自由基（OH）是最活跃的ROS，由于其强大的取氢能力，可以启动脂质过氧化。此外，生物系统中OH的产生主要是由于芬顿反应（Fe2+ + H2O2）和哈伯-魏斯反应（Fe3+ + O2），这两个反应与铁死亡相似，都与铁的参与有关。为了探索OH和细胞微环境因素（如粘度）在铁死亡过程中如何变化，2019年，Ma课题组设计了一个双功能探针（H-V），该探针是用分子转子策略和OH的独特芳香羟基化作用设计的。





过氧亚硝酸盐（ONOO）的主要来源是超氧化物（O2）与一氧化氮（NO）的反应，因此其浓度与ROS和活性氮物种（RNS）的水平密切相关。作为ROS中最有力的成员之一，过量的ONOO会不可逆地破坏各种生物目标，并介导细胞死亡，如铁死亡。因此，检测ONOO将充分反映ROS和RNS的变化，这对明确阐明它们在铁死亡过程中的生物效应具有重要意义。

基于微环境的荧光探针
微环境在参与和调节生理过程中起着至关重要的作用。在复杂的铁死亡过程中，所涉及的微环境水平必然会发生变化。因此，开发荧光探针以探索铁死亡过程中的微环境是近年来的一个热门话题。本综述中针对基于粘度、极性、缺氧、pH等的探针最新进展进行了总结。

基于蛋白羰基化的荧光探针
在磷脂过氧化过程中产生的脂质衍生电介质（LDE）可以共价修饰蛋白质（"羰基化"）并影响其功能。最新的证据表明，当发生铁死亡时，细胞内的丙二醛（一种LDE）浓度增加，这可以导致蛋白质羰基化升高并增强铁死亡信号。然而，蛋白质的目标和羰基化的具体部位以及它们在铁死亡中的作用仍然是一个谜。近年来，氨基氧或酰肼与醛/酮的化学选择性亚胺连接形成共价肟或腙加合物的策略已被广泛用于蛋白质标记。在此基础上，目前已有研究人员开发了一个独特的化学蛋白组学平台，使用基于苯胺的探针m-APA来分析铁死亡过程中的蛋白质羰基化作用。

教授介绍：





林伟英，广西大学化学化工学院教授，博士生导师。2000年从美国Kansas大学获得药物化学专业博士学位，并先后在美国Einstein医学院和美国麻省理工学院从事化学生物学研究方向的博士后研究工作。国家有突出贡献中青年专家，国家百千万人才工程国家级人选，现任广西大学化学化工学院教师。目前的研究专题包括化学生物学、药物合成、有机发光材料和光催化反应。主持和参加包括美国NIH研究基金、国家“863”基金、教育部留学回国起动基金和湖南大学“985”工程化学生物学创新平台基金在内的5个科研项目。近5 年已在Nature Methods , Chemistry & Biology, Journal of Organic Chemistry, Bioorganic & Medicinal Chemistry, Journal of Organometallic Chemistry等国际科学杂志上发表10篇SCI论文,这些研究论文已被70篇国际论文所引用。

参考文献：
Yin, J., Zhan, J., Hu, Q., Huang, S., & Lin, W. (2023). Fluorescent probes for ferroptosis bioimaging: advances, challenges, and prospects. Chemical Society Reviews.

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