化学生物学探针是一类能与生物分子特异性相互作用并产生可检测信号的小分子工具，为研究复杂生物系统提供关键手段。这些探针通过将化学与生物学原理相结合，实现对特定生物分子或生化过程的可视化和操控。
探针的核心优势在于能够实现原位实时分析、捕捉动态生物过程、提供精确空间分辨以及反映靶标功能状态。从早期的简单染料发展至今，现代探针设计更注重分子识别特异性与信号输出可控性，特别是随着点击化学等技术的进步，其应用范围不断扩大。
在现代研究中，化学生物学探针广泛应用于靶点发现与验证、蛋白质组学研究、疾病机制探索、药物筛选与优化等领域。这些工具不仅提供了观察生物过程的窗口，还为药物开发和精准医疗奠定了基础。
常见化学生物学探针的类型
| 探针类型 | 作用机制 / 特点 | 主要应用 |
| 荧光探针 (Fluorescent Probes) | 通过激发光（特定波长）产生荧光信号可特异或广谱性地标记蛋白质、核酸或其它生物分子一些探针对离子、pH、氧化还原电位等环境变化高度敏感 | 细胞和组织成像分子间相互作用研究（如 FRET）离子浓度、pH 等生化指标检测 |
| 生物素及其它亲和标签探针 (Biotin/Affinity Tag Probes) | 通过高亲和力的生物素-（链霉）亲和素体系或其他标签-抗体/配体体系，实现对目标蛋白或分子的捕获及富集可结合点击化学（Click Chemistry）策略进行位点特异或通用标记 | 靶蛋白的筛选与富集蛋白质相互作用网络研究下游蛋白组学分析（质谱等）信号追踪和定位 |
| 活性基探针 (Activity-Based Probes, ABPs) | 探针与酶活性中心共价结合，仅在酶处于活性状态时发生反应可对活性蛋白进行选择性标记，从而区分“活性”与“非活性”亚群实现特定酶或酶家族的可视化、富集和定量常与荧光/生物素等检测标签结合 | 酶活性检测与筛选药物作用靶点确认及活性评价疾病相关酶（如蛋白酶、磷酸酶、激酶）的体内外分析靶向治疗或诊断试剂的早期研究 |
| 光亲和探针 (Photoaffinity Probes) | 在特定波长光照下产生高活性中间体（自由基或卡宾等），与邻近分子或蛋白共价结合可用于“捕捉”一过性或动态的分子-蛋白互作，从而固定并鉴定结合位点通常结合荧光基团或生物素标签，便于后续检测 | 配体-受体互作研究靶标/结合位点鉴定蛋白相互作用网络解析药靶确认 |
探针的设计与合成策略
一个典型的化学生物学探针通常由三个关键部分组成：
- 靶向基团：负责与目标蛋白特异性结合的部分，可以是抑制剂、底物、配体或其他生物活性分子。
- 反应性基团/连接臂：对于活性基探针，这是能够与蛋白质形成共价键的反应性基团；对于光亲和探针，则是光交联基团；此外还包括连接靶向部分和报告基团的连接臂。
- 报告基团：用于检测和富集的标记部分，如荧光团、生物素或生物正交反应基团。
化学生物学探针的设计与合成需要平衡多种因素，以下是几项关键原则：
- 选择性与特异性：探针应具有高度选择性，能够特异性识别目标蛋白而非相关蛋白。这通常通过优化靶向基团结构，利用靶蛋白独特的结构特征来实现。
- 反应性与稳定性平衡：探针需要足够的反应活性以有效标记靶蛋白，但同时还要在生理条件下保持稳定，避免非特异性反应。常用的反应性基团包括环氧类、α,β-不饱和羰基化合物、磺酰氟等，它们在特定条件下能够与蛋白质上的亲核残基形成共价键。
- 最小化结构干扰：报告基团的引入不应显著影响探针与靶蛋白的结合。这可通过合理设计连接臂长度和性质，选择合适的修饰位点来实现。对于细胞渗透性要求高的研究，可以采用两步标记策略，先引入小体积的生物正交反应基团，再通过点击化学反应引入报告基团。
- 合成路线设计：探针合成通常采用趋同性合成策略，先分别制备靶向部分和报告部分，再通过高效的连接反应（如点击化学、酰胺键形成）将它们连接。合成路线应考虑反应性基团的兼容性，通常将容易发生副反应的活性基团放在最后引入。
- 纯化与表征：探针合成后需要通过HPLC、质谱等方法进行纯化和表征，确保纯度和结构正确性。对于生物应用，还需评估探针的稳定性、水溶性和非特异性结合等性质。
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参考文献
Fang, Haixiao, et al. “Recent advances in activity-based probes (ABPs) and affinity-based probes (AfBPs) for profiling of enzymes.” Chemical science 12.24 (2021): 8288-8310.
Porta, Exequiel OJ, and Patrick G. Steel. “Activity-based protein profiling: A graphical review.” Current research in pharmacology and drug discovery 5 (2023): 100164.
