南科大何川組Nat. Commun.：硼手性BODIPY染料庫構(gòu)建，手性近紅外熒光探針開發(fā)

手性是自然界的基本屬性。從藥物與受體的精準(zhǔn)識別，到蛋白質(zhì)折疊、生物信號傳遞，再到光電器件中對偏振光的選擇性響應(yīng)，手性都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。近年來，隨著細(xì)胞識別、精準(zhǔn)診斷與活體成像需求的迅速提升，能夠在分子層面呈現(xiàn)手性識別的熒光探針受到越來越多的關(guān)注。然而，構(gòu)建結(jié)構(gòu)明確且性能可調(diào)的手性熒光分子庫依然面臨設(shè)計(jì)和合成的挑戰(zhàn)，尤其是在接近生物窗口的紅光和近紅外區(qū)域。

近紅外區(qū)間的光在生物組織中的散射小、吸收低、背景弱，是實(shí)現(xiàn)深層、高對比度成像的關(guān)鍵波段。在諸多NIR發(fā)色團(tuán)體系中，BODIPY以其高度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可修飾、量子產(chǎn)率高等優(yōu)勢脫穎而出，并在光診療、光子學(xué)材料、活體成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特地位。然而，傳統(tǒng)BODIPY結(jié)構(gòu)多集中在可見光范圍，難以滿足深層組織成像的需求。如何在保持其光學(xué)優(yōu)勢的同時(shí)，賦予其硼中心手性，并實(shí)現(xiàn)其體系化的構(gòu)建與應(yīng)用，一直以來缺乏有效的手段。

南方科技大學(xué)何川課題組近日在

Nat. Commun.

圖 1 紅光/近紅外硼手性BODIPY染料設(shè)計(jì)策略

該研究圍繞硼手性 BODIPY 染料的分子設(shè)計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)建了兩類關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：α-炔基與α-烯基硼手性BODIPY。首先，作者以具有兩個(gè)α C–Cl鍵的前手性BODIPY 1a為底物，通過系統(tǒng)篩選配體、堿和溶劑，最終確定使用兼具軸手性和中心手性的膦酰胺配體L、CsOAc及TBME可高效實(shí)現(xiàn)不對稱Sonogashira偶聯(lián)，在4小時(shí)內(nèi)即得到3a，產(chǎn)率達(dá)96%，對映選擇性高達(dá)99%。在優(yōu)化條件下，多種芳基炔、雜芳基炔及烷基炔均順利參與反應(yīng)，為手性BODIPY體系帶來廣泛的結(jié)構(gòu)多樣性，從而獲得不同波長范圍的BODIPY熒光團(tuán)。其中，含吸電子或給電子基團(tuán)的芳基炔均表現(xiàn)出良好的兼容性；含有OMe、NMe2、NPh2等強(qiáng)給電子基團(tuán)的炔基表現(xiàn)出顯著的紅移發(fā)射，成功拓展至近紅外區(qū)域（最高達(dá)751–798 nm）。同時(shí)，通過改變BODIPY骨架結(jié)構(gòu)或硼中心取代基（如以噻吩取代苯環(huán)），也能進(jìn)一步延伸共軛體系并增強(qiáng)紅移效果。由此構(gòu)建的α-炔基硼手性BODIPY系列覆蓋從可見光到近紅外的廣泛發(fā)射范圍。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了高效合成α-烯基硼手性BODIPY的方法。將反應(yīng)體系使用的堿更換為三乙胺后，前手性底物1a可與多類烯烴經(jīng)歷高效的不對稱Heck偶聯(lián)，得到高ee的α-烯基BODIPY（5a–5w）。無論是含酯、酰胺、醚、硅烷等官能團(tuán)的烯烴，還是芳基烯烴、稠環(huán)烯烴及多種共軛二烯體系，都表現(xiàn)出優(yōu)異兼容性。芳基烯烴及強(qiáng)給電子取代的烯烴（如N,N-二甲基苯乙烯）的發(fā)射波長均顯著紅移，其中5w的發(fā)射峰達(dá)到730 nm。通過引入雜芳環(huán)以及稠環(huán)結(jié)構(gòu)（如卡唑、萘基、噻吩等），發(fā)射波長可進(jìn)一步延長，實(shí)現(xiàn)近紅外手性BODIPY染料構(gòu)建。

圖2 硼手性熒光染料庫的高效構(gòu)建

為進(jìn)一步紅移所得硼手性BODIPY的吸收與發(fā)射波長，并展示該體系的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展?jié)摿Γ髡邔Ζ?氯取代的BODIPY進(jìn)行了多種立體專一的功能化轉(zhuǎn)化。首先，具有不同meso芳基的二氯 BODIPY可順利經(jīng)歷串聯(lián)炔基化和烯基化反應(yīng)，高效構(gòu)筑3,5位置雙取代的手性 BODIPY產(chǎn)物6a-6e，具有優(yōu)良的對映選擇性和顯著紅移的近紅外發(fā)射（750-850 nm）。值得一提的是，這些在兩個(gè)α位引入不同的炔基、烯基或二烯基的結(jié)構(gòu)在此前均難以獲得，該方法實(shí)現(xiàn)了它們的快速合成。此外，作者成功制備了由1,4-雙炔基苯或雙烯基苯橋連的BODIPY二聚體6f和6g，具有 99% ee和超過20:1的優(yōu)異非對映選擇性。這類獨(dú)特的二聚結(jié)構(gòu)在熒光成像中具有較高應(yīng)用潛力。進(jìn)一步地，作者利用含三甲基硅基的6b與含有生物活性分子結(jié)構(gòu)單元（如D-葡萄糖苷和維生素E）的疊氮化物進(jìn)行銅催化的點(diǎn)擊反應(yīng)，順利獲得手性BODIPY三氮唑衍生物6h和6i，產(chǎn)率良好且具有優(yōu)異的非對映選擇性。這一結(jié)果表明，經(jīng)該方法構(gòu)筑的硼手性BODIPY不僅具備結(jié)構(gòu)可調(diào)控，也有望在生物成像與熒光標(biāo)記等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

圖3 硼手性熒光染料的立體專一性衍生化

為探究硼手性中心對成像行為的影響，作者進(jìn)一步開展了細(xì)胞器共定位實(shí)驗(yàn)。利用MitoTracker Green與LysoTracker Red對兩個(gè)對映體進(jìn)行分析，結(jié)果顯示S-3w@BSA對溶酶體具有顯著偏向性，其與LysoTracker Red的PCC達(dá)到0.896，明顯高于其線粒體共定位程度（PCC = 0.492）。相比之下，R-3w@BSA 在溶酶體與線粒體中的共定位程度相近，說明手性可顯著影響染料對細(xì)胞器的親和性。

圖4 硼手性BODIPY細(xì)胞成像

此外，該研究還系統(tǒng)評估了硼手性BODIPY在近紅外二區(qū)成像中的性能。與臨床常用的ICG相比，BODIPY探針在組織模擬環(huán)境中表現(xiàn)出更強(qiáng)的穿透深度、更高的成像分辨率與更優(yōu)的信噪比。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，6c@BSA能實(shí)現(xiàn)清晰的全身及局部血管成像，尤其在大于一千三百納米窗口中背景極低。生物分布與組織學(xué)分析進(jìn)一步證明了其良好的生物相容性。整體而言，這類手性 BODIPY探針兼具了優(yōu)異光學(xué)性能與生物選擇性，為靶向近紅外成像提供了新的可能性。

圖5 NIR-II區(qū)域的高性能活體成像表現(xiàn)

總結(jié)

該研究建立了高效構(gòu)建硼手性BODIPY的方法，快速獲得一系列具有近紅外甚至近紅外二區(qū)發(fā)射的熒光探針。這些染料不僅在細(xì)胞中表現(xiàn)出明確的手性選擇性定位，還在小鼠血管成像中實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低背景的成像效果，為開發(fā)新型精準(zhǔn)診斷與活體成像工具提供了可靠策略和分子基礎(chǔ)。隨著硼手性BODIPY庫的建立，以及相關(guān)光物理性質(zhì)、細(xì)胞行為與體內(nèi)成像機(jī)制的逐步清晰，這一體系將成為跨學(xué)科合作的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究以"Streamlined construction of boron-stereogenic BODIPY library for near-infrared bioimaging"為題發(fā)表在Nature Communications上。本項(xiàng)工作由南方科技大學(xué)化學(xué)系/深圳格拉布斯研究院何川團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)深圳醫(yī)院/精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院穆婧團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。論文第一作者為趙佳怡、任李慶與藍(lán)德仁。工作獲得國家自然科學(xué)基金、廣東省催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市科創(chuàng)委等項(xiàng)目支持。

何川課題組介紹

課題組自成立以來，圍繞“硅硼手性高效精準(zhǔn)構(gòu)筑”這一科學(xué)問題，從合成方法、反應(yīng)機(jī)理以及功能應(yīng)用等多個(gè)方面開展了系統(tǒng)性研究，開發(fā)了一類通用普適的催化不對稱脫氫偶聯(lián)反應(yīng)（Si-CADC）構(gòu)建硅手性，以及開創(chuàng)了通過不對稱催化構(gòu)建硼手性。基于此，我們建立了高效構(gòu)建硅、硼手性的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)多樣手性硅、硼化合物的合成，拓展了手性物質(zhì)的空間，推動了主族元素手性化學(xué)的發(fā)展。2018年入職南科大以來，以獨(dú)立通訊作者發(fā)表論文50余篇，包括Nat. Chem. 1篇，Nat. Synth. 1篇，Acc. Chem. Res. 1篇，Chem 1篇，CCS Chem. 2篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇，Angew. Chem. Int. Ed. 7篇，Nat. Commun. 3篇，Chem. Soc. Rev. 1篇，ACS Catal. 4篇，Chem. Sci. 2篇等。

招聘博士后和研究助理

2018年課題組成立以來，我們圍繞特色主族元素手性化學(xué)（硅、硼、鍺、硫中心手性）的高效構(gòu)建，以及相關(guān)手性分子功能和應(yīng)用的探索，開展了一系列的研究工作。目前已經(jīng)有了充分的積累和良好的進(jìn)展。我們非常歡迎具有科研理想、創(chuàng)新能力、勤奮努力的同學(xué)和有志之士（博士后、研究助理等）加入本課題組，共同奮斗和成長。我們誠摯邀請所有優(yōu)秀的申請者在方便的時(shí)候到深圳實(shí)地訪問參觀我們學(xué)院和實(shí)驗(yàn)室。

課題組網(wǎng)站：http://faculty.sustech.edu.cn/hec/

聯(lián)系方式：hec@sustech.edu.cn