A dual fluorogenic and ¹⁹F NMR probe for the detection of esterase activity

Abstract

A dual-channel probe of FlE based on flavonoid derivatives was successfully designed and synthesized, which could yield “turn-on” signals of both fluorometry and 19F nuclear magnetic resonance in response to the presence of esterase.

Excited-state intramolecular proton-transfer (ESIPT) based fluorescence sensors and imaging agents

“…In fact, probe 62 allowed for the confocal fluorescence imaging of esterase activity in HeLa cells. 179 Li and co-workers developed a flavone-based probe 63 that is capable of discriminating between live and dead cells. Its efficacy depends on the fact that cellular esterases are normally inactive inside dead cells (Scheme 60).…”

19F MRI Probes for Multimodal Imaging**

“…Such a small change is comparable to the corresponding peak width, casting doubt on potential applications in 19 F imaging. On the other hand, the fluorescence intensity rose 27 fold leading to very good sensitivity, with an esterase detection limit of 0.001 U/mL, and successful intracellular enzymatic activity imaging [39] …”

“…On the other hand, the fluorescence intensity rose 27 fold leading to very good sensitivity, with an esterase detection limit of 0.001 U/mL, and successful intracellular enzymatic activity imaging. [39]…”

“…Esterase-sensitive molecule proposed by Hu et al The hydrolysis of acetate increases fluorescence intensity and changes the 19 F chemical shift. [39] Figure 11. Amphiphilic fluorinated copolymer for tumor targeting labeled with a NIR dye using click chemistry for post-polymerization modification.…”

Current Status and Progress of Esterase Fluorescent Probes

“…个亚型，大多数羧酸酯酶属于CES1和CES2家族。图1所示为CES1的晶体结构 [8] 与Alphafold2预测的 CES2空间结构比较图，由此可见：它们在结构上相似度极高。在体内分布上，CES1主要集中于肝脏、 单核巨噬细胞和肺上皮细胞，在肠道中的含量极低；而CES2则集中于肠道，在肝脏也有分布 [9] 。作 为一种发挥重要功能的代谢酶，酯酶的缺失或过量表达往往可以直接导致许多疾病，如动脉粥样 硬化、癌症和高血脂症等 [10] ，因此许多策略已经被开发出来用于酯酶的监测。随着成像设备和荧光 探针的迅速发展，荧光技术在酯酶检测中发挥着越来越重要的作用。相对于PCR、比色法、分光光 度法、平板分析法和色谱法等检测方法，荧光探针检测酯酶具有成本低、响应快、灵敏度高和实时 无损成像等优势 [11,12] 。因此，近些年荧光成像技术在检测酯酶方面取得了快速发展。本文主要综述 了检测酯酶的荧光探针，这个领域在不断发展，因此这篇综述的目的是总结已有文献中的策略和最 新进展。 图1 CES1的晶体结构(PDB ID: 5A7H [8] )与Alphafold2预测的CES2空间结构比较图 蓝色为 CES1 的晶体结构，橙色为 Alphafold2 预测的 CES2 的结构 1 检测酯酶的短波荧光探针 Wang课题组 [13] 基于共激发态分子内质子转移(excited state intramolecular proton transfer，ESIPT) 荧光团2-(2-羟基苯基)-苯并噻唑(HBT)设计了三个用于检测酯酶的同系列荧光探针(1，2，3) (图2为探 针1-11的结构式)。探针中作识别基团的是乙酰氧基甲基醚，其中的乙酰氧基可以特异性识别酯酶并 与之反应释放荧光团和甲醛。值得一提的是，作者对HBT荧光团的羟基邻位进行了修饰以扩展其共 轭体系，因此上述三个探针的发射波长依次向长波方向移动。在体外实验和HeLa细胞成像实验中这 三个探针显示出了对酯酶的高特异性高灵敏度检测。Obika课题组 [14] 设计并合成了一种基于邻硝基 苯并恶二唑(O-NBD)单元的显色荧光探针(4)。探针由一个带有甲酸酯的三甲基锁和O-NBD基团通过 乙醇胺连接而成。此外，作者还合成了一个长链乙醇胺探针以及一个无酯酶识别位点的探针，荧光 实验显示后两者均对酯酶无响应。这说明4的荧光开启依赖于酯酶活性，同时也验证了适当长度的连 接体在分子内O-到N-NBD的快速迁移中有重要作用，能够在合理的时间范围内监测酶促反应。Hu等 人 [15] 以黄酮类化合物衍生物作荧光团合成了一种荧光核磁双信号通道的探针(5)。探针在检测酯酶时 可以明显地释放出荧光开启和 19 F的化学位移信号。作者用5对HeLa细胞或MCF-7细胞进行成像，也 能在细胞内明显地观察到两种信号的变化。Morisseau课题组 [16] 开发了一种可以选择性检测人羧酸酯 酶1 (hCE1)的荧光探针6。它以吡啶衍生物作荧光团，长链酰胺基团为识别基团，对hCE1的响应信号 强度远高于其他酶。6对hCE1的高选择性使hCE1可以作为一种生物标志物用于预测新药的药代动力 学及患者某些相关疾病的状态。 Wang等人 [17] 开发了一种基于四苯乙烯衍生物的具有聚集诱导发射特 性的新型羧酸酯酶荧光探针7。探针中含有四个羧酸基团，因此具有很好的水溶性；当其被酯酶分解 后，释放出相对疏水的荧光团，使探针析出并产生聚集，进而导致探针分子产生聚集诱导发射效应， 荧光信号增强。Jung课题组 [18] 以单分子芘为基础设计出了具有逻辑门正交检测磷酸酶和羧酸酯酶功 能的荧光探针8。探针通过在芘支架上修饰上一个羧酸酯和一个磷酸单酯基团得到。羧酸酯酶和/或 碱性磷酸酶的存在与否可以正交组合出4种不同的荧光输出模式，这些不同的荧光模式通过发射波 长的差异表现出来。作者通过猪肝酯酶和碱性磷酸酶的不同添加组合进行了体外荧光实验，结果与 预期一致。用探针8对L929成纤维细胞瘤细胞和T84人结直肠癌细胞进行成像，只需用肉眼就可观察 到不同的颜色变化，这为活细胞的磷酸酶和羧酸酯酶检测提供了有价值的工具。 图2 探针1-11的结构式 合理范围内的酯酶活性是细胞存活或死亡的重要标志之一，因此通过检测酯酶的活性可以间接 判断细胞的生存状态 [19] 。Yi课题组 [20] 以苯并噻唑为基本骨架合成了一种通过检测酯酶活性来鉴别细 胞生存状态的荧光探针9。探针在体外荧光和细胞成像实验中均表现出了对酯酶的高特异性和低检 测限，可以实现对活细胞和死细胞的鉴别。异常表达的酯酶活性往往伴随着炎症的发生，也意味着 过量活性氧的表达 [21] 。通过识别过量的酯酶活性水平可以达到炎症靶向的效果。Wu课题组 [22] 基于 聚集诱导发射效应建立了一个诊疗一体的荧光探针(10)，它由亲水性牛磺酸和聚集诱导发射荧光团 通过酯键结合。10可以作为一种既具有成像酯酶激活牛磺酸释放，又具有ROS清除的治疗能力，是 由于过量的酯酶可以断裂酯键从而激活牛磺酸并释放荧光团，其中牛磺酸具有清除活性氧特别是清 除HOCl的作用，荧光团具有发射荧光跟踪目标物的功能。10可以成功地用于成像RAW 264.7巨噬细 胞中过量的酯酶和清除细胞内异常水平的活性氧。Hua课题组 [23]…”