一种原位响应ros的人工酶及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种原位响应ros的人工酶及其制备方法与应用 (Artificial enzyme capable of responding ROS in situ, and preparation method and application thereof ) 是由 王树 底宇飞 刘礼兵 吕凤婷 黄一鸣 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种原位响应ROS的人工酶及其制备方法与应用。本发明所提供的人工酶的结构式如式I所示。本发明通过四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯共价连接组氨酸残基,使咪唑基团在肿瘤细胞内形成聚集体,拉近了彼此聚集,咪唑基之间从而发生去质子化过程提高了催化酯水解活性,使“turn-on”探针FN发荧光；然而在正常细胞内因活性氧含量较低,不发生聚集,所以不能催化酯水解,基于此实现对肿瘤细胞选择性诊断。本发明首次提供了响应胞内微环境及选择性诊断的人工酶。(The invention discloses an artificial enzyme for responding ROS in situ, a preparation method and application thereof. The structural formula of the artificial enzyme provided by the invention is shown as a formula I. According to the invention, tetra (3-mercaptopropionic acid) pentaerythritol ester is covalently connected with histidine residues, so that imidazole groups form aggregates in tumor cells, the aggregates are drawn close to each other, and the catalytic ester hydrolysis activity is improved due to the deprotonation process between imidazole groups, so that a 'turn-on' probe FN emits fluorescence; however, because the active oxygen content is low in normal cells, the ester hydrolysis cannot be catalyzed, and the selective diagnosis of tumor cells is realized based on the fact that the ester hydrolysis cannot be catalyzed. The present invention provides for the first time artificial enzymes that respond to intracellular microenvironments and that are selectively diagnostic.)
技术领域
本发明涉及一种原位响应ROS的人工酶及其制备方法与应用，属于人工酶和选择性诊断领域。
背景技术
天然酶因其催化效率高在工业和日常生活中据有很高的利用价值，然而天然酶大多是由蛋白质或者RNA构成，其只能在特定的环境下有较高的催化活性。由于酸化或加热引起的蛋白质变性，会造成酶的不可逆失活。此外天然酶分离困难，导致其难以得到纯品且价格昂贵，这些因素限制其发展，因此迫切需要发展出具有较强催化活性和耐受性的人工酶。将天然酶的刺激响应行为整合到人工酶中可能使酶反应活性的调控成为可能，但这是具有挑战性的，因为它需要将刺激响应与催化部分的结合和精确定位相结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工酶(式Ⅰ所示化合物，简称PTT-SGH)及其制备方法与应用，PTT-SGH可响应细胞内源性ROS形成交联结构，原位提高催化酯水解活性，从而通过高对比度荧光选择性诊断肿瘤细胞。
本发明首先提供式Ⅱ所示化合物(即式Ⅰ所示化合物的前体，(3-Mal)-SGH))，
本发明提供的人工酶(PTT-SGH)，其结构式如式Ⅰ所示：
本发明进一步提供了式Ⅰ所示化合物的制备方法，包括如下步骤：
式Ⅱ所示化合物与四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PTT)进行迈克尔加成反应即得。
上述的制备方法中，所述迈克尔加成反应在无氧的条件下进行；
所述迈克尔加成反应的温度为23～27℃，时间为12～24h。
上述的制备方法中，所述迈克尔加成反应的溶剂为超干的DMSO或DMF；
所述迈克尔加成反应可采用催化量的正丙胺和TCEP进行催化(如式Ⅱ所示化合物的1％摩尔量的正丙胺、10％摩尔量的TCEP)。
式Ⅱ所示化合物与所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯的摩尔比为1：2。
本发明提供的式Ⅰ所示化合物作为人工酶能够用于正常细胞和肿瘤细胞的成像，通过高对比度荧光实现肿瘤细胞的诊断；
所述正常细胞为人肺成纤维细胞HPF；
所述肿瘤细胞为人肺癌细胞A549、人乳腺癌细胞MCF-7或人宫颈癌细胞Hela。
本发明通过四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯共价连接组氨酸残基，使咪唑基团在肿瘤细胞内形成聚集体，拉近了彼此距离，咪唑基之间从而发生去质子化过程提高了催化酯水解活性，使“turn-on”探针FN发荧光。然而在正常细胞内因活性氧含量较低，不发生聚集，所以不能催化酯水解，基于此实现对肿瘤细胞选择性诊断。本发明首次提供了响应胞内微环境及选择性诊断的人工酶。
附图说明
图1为式I所示化合物PTT-SGH的表征。
图2为式I所示化合物PTT-SGH的细胞毒性。
图3为式I所示化合物PTT-SGH在细胞内催化酯水解后的CLSM图。
图4为式I所示化合物PTT-SGH在混合细胞中选择性催化酯水解后的CLSM图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所用的“turn-on”探针FN根据参考文献Li,G.,Liu,Y.,Song,J.etal.A Fluorescein-Based Colorimetric and Fluorescent Probe for Hydrazine andits Bioimaging in Live Cells.J Fluoresc,2017,27:323–329.中公开的方法制备合成。
实施例1：制备目标化合物(式I所示化合物)
97.8mg化合物四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(Pentaerythritol tetra(3-mercaptopropionate)，简称PTT)、45.0mg化合物式II(由强耀生物科技有限公司合成，其与PTT的摩尔比为1：2)、如式Ⅱ所示化合物的1％摩尔量的正丙胺、10％摩尔量的TCEP溶解在3mL的无水DMF中，通氩气除氧30分钟，反应在常温无氧条件下搅拌24小时。加足量的水稀释后，通氩气用截留分子量为100～500Da的透析袋透析3天至小分子除去。冻干得到无色透明固体PTT-SGH。HR-MS(ESI,[M+H]+):Calcd.for C35H51N6O16S4:939.22389,found:939.22400.如图1，可以看出，本实施例得到了目标化合物。
实施例2：式I所示化合物(PTT-SGH)对细胞的毒性
人肺癌细胞A549接种在96孔板内，密度为8×103个/孔，放入37℃细胞培养箱中过夜，待其贴壁。加入不同浓度的式I所示化合物(PTT-SGH)，培养36小时后。接下来，加入混有MTT(0.5mg/mL，100μL/孔)的培养基，当在37℃细胞培养箱中放置4小时后，吸去上清，每孔加入100μL DMSO。然后用酶标仪读取570nm处的吸收值。
同样的操作应用于人乳腺癌细胞MCF-7、人宫颈癌细胞Hela、人肺成纤维细胞HPF。
各种条件下的细胞活性如图2所示，可以看出，对肿瘤细胞如：人肺癌细胞A549人乳腺癌细胞MCF-7、人宫颈癌细胞Hela，正常细胞人肺成纤维细胞HPF，PTT-SGH在100μM以下的浓度均有很好的细胞相容性。
实施例3：式I所示化合物(PTT-SGH)在人肺癌细胞A549、人肺成纤维细胞HPF中分别催化酯水解
人肺癌细胞A549接种在玻璃底的CLSM皿，密度为1×105个/皿，放入37℃细胞培养箱中过夜，待其贴壁。接下来，对照组中加入混有100μM PTT的DMEM，而实验组则加入100μMPTT-SGH，在37℃细胞培养箱中放置24小时后，每组都加入10μM FN，在37℃细胞培养箱中孵育10小时。最后去CLSM拍摄。
同样的操作应用于人肺成纤维细胞HPF。
式I所示化合物PTT-SGH在细胞内催化酯水解后CLSM图如图3(a)所示，然后用ImageJ定量每张图片的荧光数值，计算得图3(b)，可以看出，癌细胞A549实验组的荧光亮度比其对照组强，也比正常细胞HPF组荧光亮度强，说明PTT-SGH只在ROS含量高的癌细胞A549中可以很好的催化酯水解，使FN产生荧光；在ROS含量少的正常细胞HPF中不会催化酯水解。
实施例4：式I所示化合物(PTT-SGH)在人肺癌细胞A549、人肺成纤维细胞HPF混合培养下选择性催化酯水解
将人肺癌细胞A549、人肺成纤维细胞HPF以2：1的比例接种在玻璃底的CLSM皿，待其贴壁。接下来，对照组中加入混有100μM PTT的DMEM，而实验组则加入混有100μM PTT-SGH的DMEM，在37℃细胞培养箱中放置24小时后，每组都加入10μM FN，在37℃细胞培养箱中孵育10小时。最后用CLSM拍摄。
CLSM图如如图4所示，由该图可以看出，对照组都没有荧光。对于实验处理组：正常长纤维状的细胞HPF细胞没有荧光，较小的梭型癌细胞A549荧光很强，说明PTT-SGH只在ROS含量高的A549中可以很好的催化酯水解，使FN产生荧光。所以PTT-SGH配合FN能实现对肿瘤细胞的选择性诊断。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心技术，并不是对本申请的范围限制。对于本领域的技术人员来说，凡在本申请原理以内的任何修改，替换，改进等，均在本申请的保护范围之内。