菁染料在荧光探针及光动力疗法中的应用

第21卷　第3期感光科学与光化学Vol.21　No.3 2003年5月PHO TO GRAPHIC SCIENCE AND PHO TOCHEMISTR Y May,2003　综　述
菁染料在荧光探针及光动力疗法中的应用
赵红莉1,袁慧慧2,蓝闽波1,2
(11华东理工大学分析测试中心,上海200237;21华东理工大学超细材料制备与
应用教育部重点实验室,上海200237)
摘　要:菁染料的研究及应用已有100多年的历史,近年来,它们在生物方面的
应用研究已取得一定的成果.本文就近几年菁染料及其衍生物在生物医疗方面
的研究及进展情况加以综述,特别阐述了这类染料用作荧光探针在生物大分子
标识以及作为光敏剂在光动力疗法(PD T)中用于恶性肿瘤的诊断与治疗这两
方面的研究进展.
关键词:菁染料;荧光探针;光动力疗法
文章编号:100023231(2003)0320212211 中图分类号:O64 文献标识码:A
自从1865年菁染料被发现以来[1],这类染料逐渐在照相感光及其它高技术领域的应用中占据了重要地位.由于这类染料易在光及酸存在下褪色,因此并不常用于染色目的,而是在其它光学技术领域中广泛应用.其最重要的用途是作为增感剂应用于卤化银照相乳剂中,扩大卤化银的感光范围并提高感光能力[2].近年来,菁染料及其衍生物作为新型光存储介质在有机型存储光盘中得以广泛应用[3,4].目前,菁染料及其衍生物在生物医学方面的应用研究也在开展,为其作为功能性染料的应用开拓了新的领域[5].
菁染料及其衍生物有很多优点,其中重要的是它们的结构极其多样,且有很大的可变性.也就是说,能按多种结构带有不同官能团的形式进行合成.这种多样性便于控制染料的溶解性、被标示的产物,并有助于减少标示物与不相关部分的不必要键合.在标示混合物时这种多样性也有利于选择标示试剂以最低限度干扰被标示物的功能.同时,在合成中改变分子中的发色团,可得到多种荧光标识试剂分布于光谱的从可见光到近红外区的广泛区域中.菁染料及其衍生物的吸光能力强,并能发出强的荧光,可作为荧光探针与生物分子或非生物物质生成共价键,使这些物质发出荧光,可在激光或荧光发射器下加以检测.而且,这些共轭络合物还可进一步用于标示其它物质[6,7].同时,某些菁染料如部花青(又称份菁)、氧醇类花青已作为光敏剂用于光动力疗法(PD T),用于恶性肿瘤的治疗[8,9].
收稿日期:2003201213;修回日期:2003203214;通讯联系人:蓝闽波,Tel:021*********
作者简介:赵红莉(19782)女,硕士研究生,主要进行生物传感器方面的研究.
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1　菁染料及其衍生物用作荧光探针
菁染料在生物大分子标记中的应用近年来发展极为迅速,荧光染料是一种广泛使用的荧光探针,已逐步取代具有放射性危害的同位素标记法,在生物技术领域中得到了重要应用.生物荧光探针应满足如下条件[10]:(1)摩尔消光系数大;(2)良好的荧光性能;(3)较好的稳定性和溶解性;(4)能与被标示物通过物理或化学作用结合,残余物及副产物易于除去;(5)荧光与背景对比明显;(6)标示反应条件温和;(7)安全无毒.20世纪80年代荧光染料被应用于DNA 自动测序中,主要品种为罗丹明、荧光素类[11].目前,菁染料正以其独特优点,成为基因芯片测试用的首选荧光标记物,在检测及定量标记组分时具有很高的消光系数及量子产率.此类染料可用于标示许多生物物质[12],如抗体、抗原、抗生素类蛋白、蛋白质、肽、核苷酸生物、糖类、脂类、生物体细胞、细菌、病毒、血细胞、组织细胞、激素、淋巴细胞活素,可跟踪测试生物分子、毒素及药剂性能,还可用于标示非生物物质,如可溶性聚合物、聚合物微粒、玻片、药剂、胶束等.被标示组分可处于多种物质组成的混合物中,发生标记反应的混合物可以是液体,特别是在水溶液中,检测步骤可以是在液体混合物中,也可在干燥条件下,如显微镜切片.
111　生物标记菁染料的类型及作用机理
11111　嵌入式荧光探针
所谓嵌入式探针是指染料本身不带有活性基团(如羟基、氨基等),它们与核酸等生物大分子作用时不是形成共轭络合物,而是以亲和力嵌入生物分子中,因此这类染料探针被称为嵌入式探针.目前有以下几种类型:完全嵌入型[13]———平面的阳离子分子被包覆于邻近DNA 碱基对之间;槽连类型[14]———染料分子位于DNA 腺体间的凹槽;半嵌入类型[15]———染料六元环中的一个嵌入DNA 碱基对之间,而另一个由于和带负电的DNA 磷酸脂的静电作用而位于DNA 较小的凹槽之间.
S.M.Yarmoluk ,T.Yu.Ogul ’chansky 等人[16221]发表了一系列文章介绍了与核酸发生作用的菁染料,主要有噻唑橙(TO ,见表1,1)、　唑黄(YO ,见表1,2),以及它们的二聚体TO TO 、YO YO ;Cyan13(见表1,3)等,其连结方式是嵌入型的.T.Yu.Ogul ’chansky 等
人[22]研究了碳菁染料Cyan
βiPr (见表1,4)与不同类型的双腺DNA (dsDNA )作用,主要以槽连方式连接(结构见表1).
上述菁染料在自由态(未与核酸结合)时不发荧光,但与核酸结合后荧光显著增强,从而在荧光检测时没有染料自身的荧光干扰,提高了检测的灵敏度,减少了标记过程中除去染料的复杂步骤,这是以往的标示染料所缺乏的.当染料与DNA 结合后,尤其是与双腺DNA 结合,其荧光强度增大1000倍以上,与RNA 结合时,荧光强度甚至增大到3000倍以上.TO 、YO 系列染料及其二聚体的这种荧光增强特性,是由于染料在嵌入核酸后其亚甲基两端的两个杂环的空间扭转受阻而产生的.染料本身荧光微弱以及与核酸结合后的荧光强度骤增,都可由此加以解释[23].众所周知,菁染料易于发生聚集,特别是在水溶液中.通常,聚集体的吸收光发生红移,其最大值与单体的最大值相距约100nm ,因
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而聚集体的形成会降低染料单体的荧光强度.但当染料分子与生物大分子发生作用,这种结合打破了聚集体,使染料的单体形式得到稳定.因此,荧光强度得以显著增加[24].
高志宇等人[25]通过研究两个TO (TO 21,表1,5;TO 22,表1,6)类菁染料与核酸、蛋白质结合的光谱特性,发现染料喹啉环中氮上取代基对染料标记生物大分子的荧光特性有着很大的影响.羧基的引入,使染料与核酸结合后的荧光性能下降,但却提高了与蛋白质结合的光物理性能.这表明:在喹啉环氮上引入适当的亲水性取代基,可以使噻唑橙菁染料的应用范围拓展到蛋白质标记领域.
11112　含活性基团可与生物分子共轭的荧光探针
这类多甲川基菁、份菁染料及其衍生物一般带有活性基团,大多数情况是与生物分子的氨基或羟基作用,有时是与巯基(—SH )作用.
早期的研究[26]多为染料分子与蛋白质的巯基(—SH )在溶液介质p H 为6.7时相互作用.但许多非蛋白质类物质不含巯基,或大多数蛋白质不具备足够数量能与荧光探针
相互作用的巯基,而且巯基(—SHSH —)在空气中易被氧化为二硫化物(—S —S —
),而无法与荧光探针共价相连.目前的研究表明[12],随着菁及相关含甲川基染料的不断发展,一些代替基团在合适的反应条件下也可和蛋白质上及其它物质上的氨基(—N H 2)、羟基(—OH )发生共轭作用,用于荧光或磷光检测.而且,在蛋白质等物质中,氨基和羟基比巯基更常见也更稳定,因此,当染料与这些基团键合,会输出并可检测到更强的荧光信号.这是因为有更多染料分子可连结到待测的蛋白质分子上.而且,对于某些本身不含有氨基、羟基或巯基的物质,如聚合物微粒,氨基和羟基更容易被加到上面,从而得以被检测.
S.M.Yarmoluk [24,27,28]提出了一系列用于检测蛋白质排列均匀性的菁染料.测定蛋白质在生物体液中的含量,对于生物医疗具有重要意义.以前曾提出几种菁染料用于测定蛋白质的均匀性,最好的是Nano Orange 及Albumin Blue [29],以及阴离子染料AB633和AB620也可用于白蛋白的检测[5].白蛋白,特别是牛血清白蛋白(BSA )及人血清白蛋白(HAS )是广泛应用的模板系统.从生物药理学的观点来说,白蛋白最重要的生物功能之一是它们能携带药物及内生、外源物质将荧光发色团束缚在蛋白质上进行观察,是研究束缚点的结构特征、构象变化、取代配位体性质的重要手段.S.M.Yarmoluk 使用Cyan40[24](见表1,7)为底物,依据“亲和2改性基”原理,设计了一系列荧光菁染料分子.“亲和2改性基”是指应用菁染料的烷基衍生物及含有不同亲核羰基的菁染料活化脂,由此可获得一系列目标分子,进行对比测定以选取性能最好的类型.按他们的方法得出的P 25(见表1,8)染料对于BSA 的检测是敏感特定的荧光探针.大多数染料与蛋白质键合后会发生明显的蓝移,这就可以容易地区分自由染料与键合染料的荧光.这种方法为我们设计合成更多具有目标功能的染料分子提供了依据,值得借鉴.
A.S.Waggoner [12]提出的多参数标示法,目前广泛应用于标定生物的大分子,这种方法也称两步标示法.首先将不同的荧光菁染料分子连结到第一组分上,第一组分作为生物分子具有特定性,可选择标示某特定的第二组分,即用已与染料分子共轭的生物分子去标示另一不同的生物分子,如抗体作为被标示的第一组分,可进一步用于标示某特定的抗原,以便从混合的众多抗原中对某一抗原加以区分.将抗体用不同波长光吸收特征
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的菁染料加以标示,然后被标示抗体用作探针,加入到含有抗原的待分析的生物制剂中,能够按抗体的选择性对待标记物对应着色.运用此法不仅可以用作检测第二种待标示物的存在,而且根据染料对应于发射波长的光密度可以定量标示,这对于生物分子的检测具有重要意义.例如,新近报道的将染料Cy5与PNA (缩氨酸)结合形成染料2PNA 共轭片段,采用毛细管电泳池检测DNA 或RNA 腺体突变[30].此外,与生物大分子共轭的染料还可用于肿瘤的诊断及治疗中,如有报道将Cy5与DNA 结合作为荧光探针用于胰腺癌的诊断[31],这部分内容将在文章的后半部分详加阐述.
这类染料的吸收和发射光谱位于350—1200nm 的广阔区域,结构多样,已合成的有许多种如含有菁、份菁、氧醇类等多种类型的染料.其中最为常见的是吲哚类菁染料[10](见表1,9),它们的特点是摩尔消光系数大,与生物基质结合后荧光增强,易于合成得到在近红外及红外区有吸收的荧光染料.因绝大多数生物基质在近红外区无吸收,用于生物检测时无背景干扰.
目前使用的大多数近红外荧光探针是吲哚类菁染料,其中Cy3(n =1),Cy5(n =2),Cy7(n =3)已商业化.A.S.Waggoner 等[32]合成的吲哚菁染料Cy3、Cy5(R 3=R 4=SO 3—;R 1=(CH 2)5COOH ;R 2=(CH 2)5COOH or C 2H 5)已是生物芯片上使用的新一代商品化荧光探针.
生物大分子的标记一般都是在水溶液中进行的,这就要求染料有较好的水溶性.在染料分子中引入SO 3H 、COOH 、OH 等基团能增加染料水溶性[10].如Boto 等人[33]合成的N ,N ’2二羧基苯并噻唑类菁染料(见表1,10)可和纤维素相连.因纤维素是多羟基化合物,可与羧酸在适当的条件下成酯,染料可以通过酯化作用固定在纤维素上,而且两个反应点增加了建立共价联系的可能性.
112　菁染料作为荧光探针的优点及应用
菁染料作为荧光探针与现有的其它荧光标记试剂如罗丹明、荧光素等相比更具优越性[12]:第一,这类染料类型众多,广泛分布在光谱350nm 到几乎1200nm 的区域中,具有很大的可比性及选择性.它们与生物分子键合后的活性衍生物能用于同时测试多种物质,多色或多参数分析对于简化操作,降低成本极为有利,且可提高在一个复杂的混合体系中不同被标示成分的测定速率;第二,大多数菁染料及其衍生物的荧光较强;第三,这类染料具有相对的光稳定性,不会在荧光显微镜下迅速猝灭;第四,这类染料可作为简单有效的偶合试剂;第五,染料类型多样,通过结构的改变可使试剂具有不同的水溶性,而且所带电荷也可改变.这样就不会干扰分子与被测物的键合,并减少不必要的连接;第六,这类染料的分子量相对较小(约1000),这样就不会对被标记分子的连接与功能产生位阻效应.
菁染料类荧光探针的应用正日渐扩大.这些染料能用于选择性标示混合液体中的一种或多种组分,尤其是在水溶液中,被标示组分随后可用光学手段加以测定.或者,这类已被标示组分进而用于与它们有强亲和力的另一组分的染色,再经光学检测手段测定第二组分.这些染料近年来已广泛应用于各种生物分析技术,包括生物大分子的定量测定、DNA 测序、荧光免疫分析检测及原位荧光杂交技术等.
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2　菁染料及其衍生物用于光动力疗法(PD T )
过去的20年中,对于恶性肿瘤的化学疗法的研究取得了很大进展,已研制出多种抗癌药物,并经临床应用.但在固体肿瘤组织的治疗中,传统方法收效甚微.癌症仍然是导致人类死亡的主要因素之一.目前现有的化疗抗癌药物有两大缺陷[34],即副作用及抗药性.传统抗癌药物的副作用在于它们对于正常的组织细胞也会不加区别的杀死.为克服目前癌症化疗的缺点,抗癌药物要有新的作用机理.众所周知,癌症一般都是在癌细胞的数量很多时才能被发现.如果能够在早期刚刚出现几个癌细胞时就可以检测出,自然有利于治疗.能够从正常细胞中辨识出癌细胞并有选择地杀死癌细胞,是现阶段科学工作者研究的主要目标[35].
光动力疗法(PD T ,Photodynamic Therapy )的基本原理是[36]:用对光有特殊敏感作用的物质标识癌细胞,然后再用强光或激光照射,使癌细胞或癌组织上的标记物发生光化学反应,造成癌细胞的毒性以杀灭癌细胞.由于这些特殊性能的光标识材料在正常细胞中很容易代谢、排除,而在肿瘤细胞上却能停留相当长的时间,由此,在一定时间之后正常细胞组织上的标记物已消失,只有在癌细胞组织上保留着这些标记物.所以光动力疗法只造成肿瘤组织的坏死,而不伤害周围的正常细胞组织.
光动力疗法是除手术、化疗和放射疗法之外的第4种治疗肿瘤的方法.它副作用小,不会引起外表损伤.由于PD T 具有高度的选择性,能破坏肿瘤组织而不伤害正常组织,是一种很有价值的治疗方法,因而已得到广泛的注意.
211　用于PDT 的菁染料类型及应用
在PD T 疗法中,不同结构的菁染料因其性质不同,故作用也不同.某些菁染料如份菁及氧代菁因其自身对某类细胞具有辨识性,能选择性地进入标示癌细胞或作为光毒剂杀死癌细胞,可直接作为光敏剂用于PD T 中,或作为辐射敏化剂用于固体肿瘤的治疗中[37].而大多数染料不具备对特定器官及组织的选择性.因此,这类染料必须与生物活性载体如蛋白质、肽、脂类相连结,才可能使染料进入身体内的特定区域[38].
21111　可直接用于肿瘤诊断及治疗的菁染料
MC540(表2,11)是目前应用广泛的电位传感器,对于白血病细胞可选择性地辨识出,故可按PD T 疗法用于早期白血病的诊断及治疗[39,40].后来报道的MC540衍生物OXO (表2,12)等都表现出良好的功能[41,42].
其作用机理是[36]:
dye
h νdye 13dye 33dye 33+O 21O 2+dye 1O 2+Sub 氧化产物
致使光敏化剂周围的癌细胞被氧化杀死.因此,光动力治疗中起重要作用的是单重态氧.光敏化作用促使单重态氧产生的能力是其治疗癌症作用的重要标志.光氧化反应一般是由染料寿命较长的三重态自敏化所产生的单重态氧(活性氧)对染料的氧化进攻所致.整
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个过程染料的三重态起了积极的作用,没有三重态的份菁染料可用作检测目的,因其较为稳定,不易褪色,而其余高三重态的则用作光毒剂,在光照下破坏癌细胞基质,杀死癌细胞.OXO 与MC540相比褪色慢,更适于用于癌细胞的检测.光敏作用依靠温度、黏度、以及环境介质的极性、激发单重态的能量、芳环及巴比妥酸盐(CH 2CON HCON HCO )上杂原子的性质以及芳香基的大小,而水溶性的磺酸、烷基链的长短对光敏作用影响不大[5].
M.Kawakami 等[35]又提出一系列新型的罗丹宁菁染料作为抗癌试剂,并取得较好的效果.其中效果最好的结构已在表2中给出(表2,13).这类染料经动物实验,表明对人体
结肠癌细胞(CX 21)具有选择性,其研究中采用新的作用机理,集中研究“π2电子离域的亲
油性阴离子”(π2electron 2delocalized lipophilic cations ,DLCs )所表现出显著且具有选择性
的抗癌活性.这些阴离子能选择性地聚集在癌细胞负电荷线粒体上.其中罗丹宁环及π2电子离域是必不可少的结构要求,略微改动任何部分都会导致抗癌活性减弱.这类染料的临床应用仍在进一步的研究中.
新近E.S.Voropai 等人[43]研究的吲哚类菁染料TI KS 能够活体检测,将染料经静脉注射,能够从动物体表检测到体内1.5cm 深的荧光强度,而且荧光强度与染料在体内的浓度成比例.因为染料在肿瘤组织中的浓度要高于周围的正常组织(到316倍).按照荧光强度的变化,用光学仪器扫描体表,可以在周围正常组织中根据染料分配的不一致测出肿瘤结点的位置.注射5小时后,染料在正常组织及肿瘤组织中的浓度都达到最大值,然后逐渐减小,7天后,染料从肿瘤及正常组织中完全消失.利用菁染料对肿瘤细胞比对正常细胞有更具亲和力的特点,
将它们与抗癌化学药物分子结合,即将PD T 与药物治疗相结合已成为一个趋势.
21112　菁染料与某些生物大分子形成共价络合物后用于肿瘤的诊断及治疗
由于大多数菁染料不具备选择性,必须与生物活性载体相连接,利用生物活性物质之间的选择性,达到选择性识别肿瘤细胞并定位或杀灭的目的.目前研究最多的是将染料与抗体或某些蛋白质载体相结合用于肿瘤的检测,这已广泛用于许多抗癌药物中.因为染料分子要明显小于载体分子,所以其主要优点在于能实质性地保留生物载体组织的特定选择性.选择性标识的优点显而易见,共轭配位体的高选择性及亲和力使化合物的用量大为降低,产生高的信噪比,提高灵敏度,便于检测.同时,由于大多数菁染料易于在
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水溶液中形成聚集体,与生物大分子共轭可以保留染料分子的荧光效率,有利于肿瘤的检测[44].最近,Weissleder 等人[45]介绍了一种新的标示概念,应用蛋白酶激活的近红外荧光探针检测肿瘤.但抗体用作标示物有些缺点,它们的免疫原及等离子体半衰期会受到影响.而用分子较小肽代替抗体或抗体片段可以消除这些缺点,因为肽配位体是非免疫性的,且对受体具有高的亲和力及选择性,因而具有较高的药用价值[46].
Achilefu Samuel 等人[38]提出了染料2肽共轭体系用于肿瘤的诊断影像及治疗.同时还可用于定位治疗,激光辅助的外科手术以及诊断动脉粥样硬化、血栓等.结构中一般都含有氨基、羧基等官能团,以便和生物分子键合.其范围涵盖了光谱范围从350nm —1300nm 不等的菁染料,它们具有良好的生物相容性、摩尔吸光率和较高的荧光量子效率.与药物相匹配,可使肿瘤组织能被辨识,而没有离子辐射的副作用.而且他们靠使用有生物相容性的有机溶剂,有效地防止了染料的荧光猝灭.例如,1%—50%二甲亚砜(DMSO )可以阻止染料聚集从而有效地保留荧光,并使肿瘤组织得以检测.
Minoo Askari 等人[47]提出菁染料Cy5与抗体结合制成生物芯片用于p53肿瘤压制基因的检测及癌症的治疗.众所周知,p53的检测对于癌症的早期诊断是极其重要的,因为人体几个组织类型的癌症表现都与这类基团有关,如肺癌、胰腺癌、乳腺癌、皮肤癌等.p53基因是用于控制细胞增长的,它的改变会导致细胞增殖速度加快,而癌细胞组织是快速分裂的超增殖细胞,因而对p53基因的研究意义重大.检测过程针对反p53单性抗体与其辅助Cy5标记p53抗原间形成络合物,应用完整的光电微芯片检测.文中指出完整的生物芯片由5部分组成:(1)激发光源的发光设备;(2)生物探针;(3)具有样品平台及传递系统的样品制备过程;(4)具有光学一起及分散装置的光学检测设备;(5)信号放大/处理系统.这表明一体化的生物传感器已可用于基因测序、早期癌症的防治及诊断.Cy5标记的抗原附着于对应的抗体上,通过染料2抗体共轭系统,不仅可检测到反p53抗体的存在,而且可以定量得到其在生物体中的浓度,对于癌症的预防及治疗有较大意义.
Andreas Becker 等人[46]用肽2染料共轭,应用于光学肿瘤影像.当将吲哚三碳菁染料2肽共轭络合物注入活体肿瘤组织,会在肿瘤组织中积累,使得肿瘤组织的荧光迅速增强,应用3—24小时后,其荧光强度比正常组织高出3倍多,且共轭体系具有良好的选择性,可选择进入神经分泌系统的肿瘤细胞中.经活体测试,如果将染料与不同的肽配位体结合,就可应用于许多不同领域的癌症诊断.
3　结束语
21世纪是生命科学的世纪.揭开生命现象的神秘面纱,探寻不治之症的秘药良方,已成为科学研究的重点.随着生物技术的快速发展,荧光分析技术在基因测序、表达,蛋白质测序及临床诊断等方面的应用将占有重要地位,而性能优良的荧光探针的开发则是发展这一技术的决定性因素.对于菁染料的研究及应用尽管已有100多年的历史,但由于其自身结构的优越性而历久弥新.为设计和开发性能良好的荧光探针,应着重研究染料的性能与分子结构的关系,以便研究开发出具有优良性能的菁染料用于生物医学领域.
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