华东师范大学田阳课题组《JACS》：基于柱[5]芳烃主客体识别系统的神经元内多种神经递质的实时成像和传感

神经递质在维持生理过程中起着重要作用，如调节代谢、参与神经调节和影响器官功能等。神经递质浓度的异常，会导致多种神经疾病如抑郁症、焦虑症等。因为神经递质分子结构高度相似，所以对神经递质进行高选择性的分析，是一个具有挑战性的工作。核酸适配体的筛选给神经递质识别提供了有效的途径，但是在神经元内实现多种神经递质的快速成像和同时检测，仍然是未解的难题。

华东师范大学田阳课题组提出了超分子主客体多位点识别的传感模式策略, 设计合成了一种双功能化的柱[5]芳烃（CN-DFP5），其上缘和下缘分别修饰了硼酸和香豆素衍生化的荧光识别基团，在此基础上建立了多种神经递质检测的荧光传感器阵列。本工作选择了7种神经递质作为研究模型（图1a），并将它们分为三类（儿茶酚类、单胺类和电荷类神经递质）。CN-DFP5与7种神经递质主要通过三种作用模式结合：(i)CN-DFP5上缘的硼酸基团通过缩合反应捕获儿茶酚型神经递质(DA, NE, Ep)；(ii)下边缘的醛基香豆素基团通过醛胺缩合反应与单胺类的神经递质(HA, 5-HT, DA, NE, Glu)作用；(iii)CN-DFP5的富电子腔通过静电作用结合带电神经递质(Ach)，如图1所示。LS-MS和NMR滴定等实验结果证实了超分子的结构，及其与神经递质间的相互作用。

图1. (a)七种神经递质的分子结构；(b)香豆素-萘酰亚胺衍生化柱[5]芳烃 (CN-DFP5)的合成策略；(c)CN-DFP5与三类神经递质的相互作用模式。

因此，开发的CN-DFP5超分子传感器阵列与七种神经递质产生了不同的荧光反应识别模式，利用主成分分析(PCA)来处理相应的荧光信号，实现了对七种神经递质的高通量识别。DFT计算和瞬态吸收光谱的实验数据证实了分子间相互作用产生分子能级的变化，从而导致电子传递的不同。CN-DFP5超分子传感器阵列不仅对生物流体中的神经递质表现出高灵敏度，而且成功地对活体神经元和组织中的七种神经递质进行了成像和生物传感 （图2）。

图2.CN-DFP5探针对活体神经元中的神经递质的识别。(a)CN-DFP5和Cell-Tracker Red的共定位研究；(b)CN-DFP5和DA、NE、Ep、HA、5-HT、Glu、Ach共同培养的神经元的双光子荧光成像；(c) 435和535 nm两通道的相应荧光变化柱状图；(d)CN-DFP5传感器阵列对神经元细胞中七种神经递质的反应的PCA图；(e）用CN-DFP5探针标记的AD小鼠大脑海马区的三维单光子和双光子荧光成像.

这项工作设计合成了一种新的超分子传感器阵列，为活体中多种神经递质的高选择性识别和实时成像，开辟了新途径，这将有助于理解大脑活动和促进神经元疾病的非侵入性诊断。本研究的识别模式策略可以扩展到其他活性分子的识别，如氨基酸、蛋白质等，这将为活体研究提供新的研究方法和工具。

来源：高分子科学前沿

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