2023响应型荧光探针检测神经递质的研究进展.docx

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1、2023响应型荧光探针检测神经递质的研究进展摘要神经递质是一类在神经系统中起重要作用的化学物质，其异常表达与 多种神经系统疾病相关。荧光探针因高选择、高灵敏和可视化特性在 众多神经递质检测方法中具有突出优势。该文主要综述了 2019年以 来响应型荧光探针在神经递质检测方面的新进展，介绍了 6类神经递 质，包括胆碱类、生物胺类、氨基酸类、神经肽类、瞟吟类以及气体 信号分子。在分析各类神经递质结构和反应特点的基础上，介绍了相 应探针的设计思路和反应机理。这些研究为神经递质的精确检测提供 了重要的方法和理论支持，有望在神经系统疾病的早期诊断和治疗中 发挥关键作用。最后展望了响应型荧光探针未来的发展趋

2、势。神经递 质是一类重要的化学信使分子，可将信息传递到其他神经元、组织或 器官，使机体完成特定的生物学反应。精密的神经递质释放和受体结 合过程涵盖学习、记忆、情绪调节、行为控制等多方面的功能，其调 节异常与多种神经系统疾病和精神类疾病密切相关，包括缺氧缺血性 脑病、运动障碍、癫痫及抑郁等。测定神经递质的浓度变化和空间分 布是探索人类神经系统的重要途径，同时也可以为预防、诊断和治疗 神经疾病提供关键依据。多种检测方法被应用于神经递质的研究和分 析，包括高效液相色谱（HPLC ）、毛细管电泳（CE ）、电化学（EC ）、 质谱（MS ）、紫外可见光谱（UV ）、荧光光谱（FL ）等技术。由于 人体

3、环境存在大量的内源性成分干扰，且神经递质常处于不断更新变 化和代谢的动态平衡状态，越来越多的研究人员正努力开发能够实现 神经递质高时空分辨率的检测方法。荧光探针检测技术因高度的选择 性、灵敏度和可视化优势得到了诸多关注，与分子医学的结合也使其 在神经递质的生理功能和病理机制研究中发挥着重要作用。目前已有 研究多种神经递质检测技术的相关综述，同时也有单一神经递质类型 特性及其相应检测方法的介绍，但鲜有针对荧光探针检测神经递质的 综合性介绍。本文全面综述了响应型荧光探针检测各类神经递质的研 究进展，根据常见神经递质的化学结构和功能将其分为6类，即胆碱 类、生物胺类、氨基酸类、神经肽类、口票岭类以及

4、气体，重点探讨了 多种神经递质的荧光检测方法，并通过对不同神经递质的综合分析， 更深入地理解神经系统的调控机制，探讨当前荧光探针技术在神经递 质检测领域存在的挑战和未来发展方向，以期为相关神经疾病的诊断 和治疗提供新的视角和策略。1神经递质主要分析方法神经递质结构功能复杂，开发针对性的检测方法一直是神经科学的重 大课题，科学家们已经尝试了许多不同的方法来测定体内外的神经递 质，相关分析技术也在不断发展。HPLCs CE和EC等技术均可用于生 物样品中神经递质的检测。如表1所示,HPLC较为常见，且可与EC、 MS、UV以及FL等不同检测器结合使用，实现多种神经递质的测量。 Lendor等使用固

5、相微萃取-高效液相色谱-串联质谱(SPME-HPLC-MS/MS )实现了神经递质的原位定量连续检测。Zhang等和NoV北OV台等采用高效液相色谱-荧光(HPLC-FL)联用方 法测定神经递质，检出限(LOD )可低至nmol/L级别。毛细管电泳 也是检测神经递质的经典方法，毛细管电泳/电喷雾质谱(CE/ESI-MS ) 技术、毛细管电泳激光诱导荧光检测方法(CE-LIF )、场放大样本注 射-毛细管电泳-电喷雾质谱(FASl-CE-ESI-MS )方法均能成功分离 多种神经递质。此外，电化学传感可通过采用纳米材料、微电机、晶 体管并结合表面增强拉曼(SERS )等多种策略来增强其在神经递质

6、检 测中的稳健性、选择性和灵敏度。Ma等2022年开发的微电极可实现 100nmolL25 molL 多巴胺(DA)的检测,LOD 为 50 nmolLo 表1生物样品中神经递质的传统检测方法MethodTargetRSD%LODRef.HPLC-EC天冬氨酸(ASp)、谷氨酸(GlU)等8.0100-200 pg/5 ng23Hplc-MSZMSDA、去甲肾上腺素(NE)、血清素(5-HT)等1.8-140. 540 ng/mg245-HT、Glu,上氨基丁酸(GABA)等4. 28. 35. 40300 ng/mL25乙酰胆碱(ACh)、NE、5-HT等0. 58-190. 005 mg/

7、mL26SPME-HPLC-MS/MSDA、NE、5-HT等174I00 ng/mL10HPLC-UVAsp、Glu、甘氨酸(GIy)、GABA1. 8-4.70. 020. 15 molL27Glu、5-HT9. 31125-31.25 ng/mL28Glu、GABA0. 905. 40. 000 5 mg/mL29HPLC-FLGlu、GABA、DA、5-HT1.92.90. 3981. 258 nmol/L30GABA等氨基酸类1.64. 92. 112 nmol/L11DA、5-HT、L-NE等-0. 18-0. 7 nmol/L12CEGlu、GABA-10100molL13CE/E

8、SI-MS氨基酸及其。儿对映体-0. 33 molI.14CE-LIFGlu、GABA 等0. 80-4. 5(l2)10 ,0molL15FASI-CE-ESI-MSGlu、DA、5-HT 等5.05 nmol/L16ECDA0. 4050 nmol/L22EC-SERSGlu-109molL31虽然以上方法表现出对多种神经递质的良好检测性能(表1 ),但是 由于神经递质在生物体系中处于动态变化状态，加之样品前处理过程 较为复杂、繁琐，检测时往往易形成假阳性结果，因此，准确测定生 物样品中的神经递质仍然存在诸多挑战。荧光探针具有原位、快速、 可视化、非破坏性实时监测的优点，能够在复杂且快速变

9、化的生物体 系中实现物质的高时空分辨率检测，精确反映物质的真实动态信息， 有望成为精准监测神经递质的有效工具，解释其在神经系统中的精细 调控机制。2响应型荧光探针在神经递质检测中的应用响应型荧光探针通过引入特异性识别基团，可在特定条件下对目标分 析物产生可观测的光学信号变化，现已被广泛应用于生化检测、医学 诊断和环境监测等领域。响应型荧光探针可以在生物体的局部理化环 境中进行特异性响应，从而实现特定的用途，如靶向给药、疾病诊断 治疗等，在分子医学领域也有较好的应用前景。因此利用响应型荧光 探针监测神经递质的动态变化，有助于更深入地理解神经系统的功能 和调控机制，推动神经科学和相关领域的研究取得

10、更大进展。本部分 将对不同类型神经递质的反应型分子荧光探针进行重点介绍，同时对 基于不同材料（例如荧光蛋白、量子点、纳米材料等）的其它荧光探 针进行简单概括。2.1 胆碱类胆碱是带正电荷的四价碱基，是生物膜的组成成分和乙酰胆碱（ACh ） 的前体。ACh （图IA）作为重要的神经递质参与自主神经传导，乙酰 胆碱酯酶（AChE ）起着将ACh水解成胆碱的关键作用，且特异性高， 只分解以ACh为核心的有限范围的底物，因而AChE的活性测量成为 胆碱类神经递质水平测量的间接策略。AChE的结构中有两个活性位点: 季技基所在的阴离子位点和作为水解催化位点的酯基位点（图1 B ）。图1 ACh的结构（A

11、）及AChE的结构和活性位点残基（B ） Sidhu 等采用乙酰胆碱模拟物方法，设计合成了荧光探针1来检测AChE（图2A ）,并通过引入季技基作为酶的假底物更好地结合AChE的活 性中心。适当的距离可使探针更好地模拟ACh结构，同时能够在与酶 相互作用中保持一定柔性，适应酶活性位点的微小结构变化，提高探 针选择性和效能。探针1的设计考虑了季镂基和酯基之间的距离，并 将其保持在23个碳单元范围。实验结果表明，AChE可催化水解荧 光探针1成为Ia ,实现分子内电荷转移（ICT）使荧光发射增强,LOD 为0.1 UmL0 Zhao等利用光诱导电子转移（PET ）建立了一种新型 近红外荧光探针2

12、（图2B ）,该探针本身荧光微弱，添加AChE后荧 光发生变化。在设计AChE荧光探针时，常选择氟硼比咯（BODIPY ）、 双霞异佛酮和花菁类染料作为荧光团。Wei等在双霞异佛酮结构与具 有激发态分子内质子转移（ESIPT ）效应的苯并睡嗖荧光团偶联的基础 上，选择N , N-二甲基甲酰基作为AChE的识别单元，构建了双传感 机制的荧光探针3 （图2C ）。在无AChE的情况下，酚羟基被N , N- 二甲基甲酰基保护，ESlPT和ICT过程受到抑制，荧光信号猝灭；与AChE反应脱保护后，酚羟基的供电子加强了 ICT效应，并与苯并曝嘤 的ESIPT效应协同作用，产生明显的荧光信号，表现出较高的

13、灵敏度 和良好的选择性，可实现生物体中内源性AChE的原位成像。图2 AChE荧光探针结构及响应机制图碳量子点（CDs ）、贵金属纳米颗粒、金属有机骨架材料（MOF ）等 也被应用于ACh的检测。其检测机理为：ACh经AChE催化反应分解 为胆碱和乙酸，产物胆碱经胆碱氧化酶（ChOx ）催化分解为H2O2 , 而CDs和金纳米颗粒（AuNCs ）等材料的荧光可被H2O2猝灭。Li 等构建了 BSA-AuNCs修饰的双酶ACh生物传感器：牛血清白蛋白（BSA ）可使Au3+还原为发光的AuNCs ,而H2O2可使AuNCs的 荧光猝灭。该传感器的检测范围为OJ-20 nmol/L zLOD为5

14、pmol/L , 相对标准偏差（RSD）为L1%2.1% Martin等通过共价键将含有 ChOx的AuNCs与黄素腺瞟吟二核昔酸（FAD ）连接，利用AuNCs 与FAD之间的荧光共振能量转移（FRET ）和氧气（02 ）对AuNCs 荧光猝灭的协同作用，成功对ACh进行了检测，线性范围为110 mol/L , RSD为4.0%o另一方面,Wang等通过合成Er-MOF作为电 子给体，并以硫黄素T（ ThT ）作为受体，利用FRET及ThT与Er-MOF 之间的氢键和静电相互作用，构建了双发射比例荧光传感器，线性范 围为010 nmol/L , LOD为0.492 nmolLo止匕夕卜，贵金

15、属纳米颗粒 的表面等离子体增强能量转移也可以诱导荧光猝灭，Mukhametshina 等基于该机理，通过猝灭Tb（ I ）中心发光实现了神经肌肉连接处释 放的内源性ACh的定性检测。2.2 生物胺类生物胺类神经递质，也称为单胺类神经递质（MNTS ）,是含有氨基 （R-NH2 ）的带电小分子,主要包括儿茶酚胺（CAs ）、5-羟色胺（5-HT , 血清素）和组胺（HA）; CAs主要指去甲肾上腺素（NE ）、肾上腺 素和多巴胺（DA ）。MNTs及其代谢产物在人体的神经、心血管和内 分泌等组织系统中起着广泛的调节作用，对情绪、情感、应激行为和 睡眠觉醒等生理活动具有重要影响。MNTs含量的变化与人类多种疾 病密切相关，是诊断阿尔茨海默症、唐氏综合征、抑郁症和帕金森等 疾病的重要依据。由于CAS结构的相似性，在利用荧光进行肾上腺素 和NE的检测时，往往不做区分，同时测定二者的含量。而目前NE荧 光探针的构建有以下3种设计策略：第一，基于氨基与醛基的缩合反 应（图3A ）。Hettie等发展了一种含有醛基识别基团的开启型香豆素 衍生物荧光探针4 ,其与氨基