[发明专利]一类具有细胞膜标记功能用于单分子定位超分辨成像和单分子追踪的氟硼吡咯衍生物及应用

说明书

一类具有细胞膜标记功能用于单分子定位超分辨成像和单分子追踪的氟硼吡咯衍生物及应用，属于精细化工领域。该氟硼吡咯衍生物具有优异的光物理性质，具备良好的亮度和稳定性。同时该染料由于引入了双键，可以在高激光照射条件下，发生顺反异构变化，从而实现亮暗态光转换，有利于单分子定位超分辨成像。染料被设计为双亲性的分子结构，可以较长时间保留在细胞膜上，同时氟硼吡咯荧光团本身倾向于进入磷脂分子层内侧，可实现长程亮态，有利于单分子追踪分析。因而利用该染料可在非成像液条件下实现对活细胞的超微结构和流动性同时成像，该成像具有超高的时空分辨率，揭示了膜的重要特征，因而利用该衍生物可实现对细胞膜结构的分子诊断。

技术领域

本发明涉及一类具有细胞膜标记功能用于单分子定位超分辨成像和单分子追踪的氟硼吡咯衍生物及应用，属于精细化工领域。

背景技术

细胞膜是细胞的关键组分，为细胞生理代谢提供屏障，并且深度参与细胞分化、自噬、凋亡和衰老过程。其主要成分是磷脂，以双分子层构型形成膜的主体结构，具有各向异性的流动性和聚集性特征；细胞膜的组分还包括不同功能的粘附或跨膜蛋白，以及附着于表面的多构象糖链。这些多种组分形成的复杂结构，在表面协同工作以实现包括识别、吞噬、胞吐、屏障等在内的细胞膜各种生理功能。因为这些组分结构的复杂性，从整体上，细胞膜表面展现出不规则、流动和异质性特征，且通过这些特征可以反映对细胞内在生理状态的变化。因此，利用对这些特征的分析，可实现对细胞生理状态的诊断，为疾病精准诊断提供信息。

近年来，超分辨成像等先进光学成像技术的进步，正在革命性提升医学诊断的精确度，将分析水平推进到分子尺度。而通过这些技术手段中的单分子定位超分辨成像和单分子追踪技术对细胞膜进行成像，可以从前所未有的分子尺度获取细胞膜结构、流动和异质性特征。这些膜纳米尺度超微结构和动力学特征，可为医学诊疗提供更高维度的信息，并且提升诊断的精确度，为实现早期疾病预警提供有效信息。

然而，受限于高性能荧光染料的发展，目前细胞膜成像诊断分析水平仍然未能实现分子诊断的突破。两种单分子分析的关键技术，即单分子定位超分辨成像和单分子追踪分析技术，对荧光染料提出了截然不同的单分子发光性能要求。其一，单分子定位超分辨成像要求染料具备亮暗态转换的单分子发光特性；其二，单分子追踪分析，要求染料具有长程的亮态持续时间。现有部分染料虽然能够同时实现部分这种诊断分析，然而其单分子成像需要具有细胞毒性成像液参与，这会严重干扰诊断的精确度。

为满足单分子相关成像的要求，荧光染料研究领域研究者也提出了两种典型的分子设计策略，然而没有策略能够同时满足定位和追踪的双功能要求。策略一，是一种自闪烁的罗丹明染料，这类染料具有在生理环境下自发开关环的动力学平衡过程，通过开关环形成亮暗态变化，从而实现稀疏发光。然而，这些染料因为在生理环境下较强的闭环倾向性，不能够实现长程单分子亮态发光，因而不能被用来做单分子追踪。策略二，通过将三重态猝灭剂以分子内与染料母体直接相连，从而稳定染料的亮态，利于单分子追踪分析。然而，这个策略下的染料不能够展现出亮暗态转换特征，难以实现高密度定位超分辨成像。

发明内容

本发明提供一类具有细胞膜标记功能用于单分子定位超分辨成像和单分子追踪的氟硼吡咯衍生物。首先，这类衍生物具有两亲性结构特点，可实现对细胞膜特异性标记和染色。其次，这类染料具有良好的单分子亮度、长程单分子亮态和单分子亮暗态功能，可以同时实现单分子定位超分辨成像和单分子追踪分析，满足分子诊断要求。最后，这类衍生物具有600nm以上的吸收和发射，匹配细胞生物组织的成像波长区间，避免自发荧光干扰。

本发明提供一类具有细胞膜标记功能用于单分子定位超分辨成像和单分子追踪的氟硼吡咯衍生物，该衍生物具有如下结构通式：

其中，R₁，R₂，R₄，R₅各自独立的为--H，--CH₃或者--CH₂CH₃；