服务案例

（一）内容介绍

本虚拟仿真实验分为3个模块，模块1，肿瘤原位荧光标记探针的设计；模块2，肿瘤原位荧光标记探针的合成及性质测试；模块3，原位荧光成像与导航手术切除肿瘤。

模块1，肿瘤原位荧光标记探针的设计

（1）设计目标分析

小鼠体内注射传统膜靶向探针或已报道固态荧光探针HTPQA（或HPQF），会扩散到邻近组织，且不能长时间成像。

基于传统的固态荧光染料HPQ，着手设计一个强疏水性和低亲脂性的荧光染料，并将其发射波长从远红外延长到近红外区域。

（2）近红外沉淀型荧光染料的构建

拖拽左侧取代基至HPQ，在R位置引入取代基，点击确定后得到相应化合物；也可点击“撤销”，重新选择其它取代基进行近红外沉淀型荧光染料的拖拽构建。选择已构建的化合物，进入结构分析。

模块2，肿瘤原位荧光标记探针的合成及性质测试

（1）肿瘤原位荧光标记探针的合成

选择不同的NIR沉淀型荧光染料或探针，然后进入合成路线界面；也可根据掌握程度，反复多次进行查看。

（2）抗扩散性研究

点击比色皿，查看不同探针在水与二氯甲烷界面上的现象；也可点击清空按钮，反复多次进行现象观察及分析。

模块3，原位荧光成像与导航手术切除肿瘤

（1）研究HYPQG在细胞中的抗扩散性能

激光共聚焦显微镜，在90分钟内，每10分钟收集一次实时成像信息，与市售AMCG探针比较，研究HYPQG的抗扩散性能。

（2）探针在小鼠肿瘤中长时间原位成像分析

（二）实验的特色和亮点

利用生物成像技术研究生化信息的高效获取，有助于对生命现象本质的探索，并为疾病早期诊疗提供新方法。但生物体系含有大量的水、脂质、蛋白等成份，是一个既有水溶性，又有脂溶性和流动性的环境。传统荧光成像探针进入细胞和活体后，易扩散，无法实现目标分子的长时间原位成像。张晓兵教授研究团队提出沉淀型原位荧光标记新策略，开发了系列具有抗扩散性能的固态发光染料与激活响应探针，实现了细胞膜和肿瘤区域的长时间原位精准成像，在该领域取得了系列原创性研究成果，并积累了丰富的分子/探针结构设计、合成、光学性能及生物成像研究经验。

将领域中具有原创性的重要科研成果转化为本科教学项目，服务“知识、素质、能力”培养，促进科研思维和创新能力提升，也契合新时代对高校本科人才培养的新要求。但该科研成果属于化学与生物学交叉前沿领域，即发展新型化学研究工具，解决生物学领域关键科学问题的研究。实验开展存在周期长、成本高、消耗大，需要系列昂贵仪器设备，涉及大量细胞和活体操作和生物成像实验，并且需要丰富的分子设计、合成和生物学实验经验，属于大型综合训练，在真实实验条件下难以引入本科教学。

因此将张晓兵教授研究团队在美国科学院院刊上发表的最新研究成果“A de novo strategy to develop NIR precipitating fluorochrome for long-term in situ cell membrane bioimaging.”（PNAS, 2021 118 (8) e2018033118） 转化为本虚拟仿真实验项目，解决上述问题，为“互联网+”化学本科创新人才培养的提供有力平台。本虚拟仿真实验将复杂反应机理、细胞和活体层面的微观响应过程采用可视化的虚拟仿真手段展现，加强对复杂机理和过程的理解；将结构对溶解性、谱图特征、光学性质、成像性能等方面的影响进行模块化设计，引导学生通过多参数实验过程进行深入探究，进一步对分子结构设计和构效关系进行总结与思考，对原位荧光标记技术达到深层次理解，逐步形成高性能化学分子工具设计的创新思路，体现实验的高阶性、创新性和挑战度。

通过本虚拟仿真实验，拟达到以下目标：

（1）理解原位荧光标记技术及肿瘤原位精准成像基本原理；

（2）掌握有机合成实验基本技能与操作；

（3）初步掌握基于构效关系的沉淀型抗扩散染料分子设计与优化的原理与方法；

（4）掌握有机化合物结构表征与解析方法；

（5）了解细胞、活体水平原位荧光成像及成像指导手术切除的基本操作；

（6）在探究基础上初步形成高性能化学分子工具设计与应用的创新研究思路。