湖南大學袁林課題組J. Am. Chem. Soc.:化學穩定的近紅外分子探針用于體內高保真肝毒性評估

【引言】

熒光成像技術一直是檢測活細胞和動物體內各種生物分析物的有效方法，具有簡單，靈敏和無創的優點。迄今為止，大量熒光探針已經被開發出來應用于監測生物分析物活動，診斷，甚至手術示蹤。在可激活的熒光探針中，近紅外（NIR）分子由于較高的組織穿透深度和來自生物系統的低自發熒光而備受歡迎。因此，開發用于實時跟蹤生命系統中的特殊物質變化的NIR熒光探針，有助于科研工作者研究它們的功能和相關的疾病診斷。盡管已經報道了許多使用NIR熒光探針應用的廣泛例子，但由于經典NIR染料的固有限制，開發用于精確檢測目標分析物的探針仍然具有挑戰性。最近，湖南大學袁林教授課題組開發了一種具有光學可調基團的新型熒光染料，該熒光染料已用于開發不同信號背景比提高的NIR探針。但是，大多數NIR探針仍然面臨著假信號問題。一般出現假信號有兩個主要原因：（1）選擇性差，在復雜的生物環境中易受多種生物分子干擾; （2）穩定性差，在生命系統中易被高活性物質或親核試劑分解。一方面，如果熒光探針的選擇性差，那么它將識別目標分析物的類似物并引起假陽性信號。另一方面，如果熒光探針/染料具有較差的穩定性，那么在分析物在生物介質中被識別之前或之后它很容易被生物相關分子（親核或氧化物質）破壞，會導致假陰性信號。到目前為止，大多數工作都集中在提高探針本身的選擇性以解決假信號問題。然而，對于增強探針/熒光團對體內高活性物質和親核試劑的化學穩定性的研究十分匱乏。因此，合理設計具有高性能的高穩定性NIR熒光探針以獲得準確的檢測并避免對目標分析物的假信號現象對于實際應用是必不可少的。

【成果簡介】

近日，湖南大學袁林教授課題組使用篩選結合合理設計的方法應用于近紅外熒光探針的開發，這種方法的有效性作者在以前的工作中已經證明。在這個工作中，作者收集了一系列近紅外熒光染料，包括DCM染料，BODIPY染料，花菁染料，方酸染料和苯并吡喃染料等，并測試了它們對各種高活性物質的穩定性，并篩選出穩定的NIR熒光團。然后，在此基礎上分別構建了用于LAP和ONOO^-的兩種高保真熒光探針（NIR-LAP和NIR-ONOO^-）。兩種探針均顯示出高靈敏度（LAP的檢測限為80mU/L，ONOO^-的檢測限為90nM）和對共存的ROS和RNS的顯著穩定性。通過檢測細胞線粒體LAP和ONOO^-證明探針的有效性，并用于觀察藥物誘導的肝毒性中LAP和ONOO^-的波動。最后，該探針成功用于監測對乙酰氨基酚（APAP）誘導的肝毒性的修復藥物的有效性。因此，組合篩選和合理設計的方法為高保真NIR探針提供了一種方便有效的策略，以改變其在分析物檢測中的穩定性和靈敏度。該成果以題為“De Novo Designof Chemical Stability Near-Infrared Molecular Probefor High-Fidelity Hepatotoxicity Evaluation In Vivo”發表在J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

Figure 1.探針分子的設計、機理以及熒光響應?

(a).NIR熒光探針產生假熒光信號的原因

(b).探針分子的設計與結構

(c,d,e).探針分子對ONOO^-的熒光響應

Figure 2.近紅外熒光染料篩選與目標探針設計

(a). 近紅外熒光染料的篩選

(b).目標探針設計

Figure 3.NIR-LAP對LAP的濃度響應和特異性響應

Figure 4.細胞成像

(a).探針分子在HepG2中對LAP成像

(b).不同處理的熒光強度對比

(c).探針分子在HepG2中對ONOO^-成像

(d).探針分子與商業染料在細胞內的共定位

Figure 5.細胞成像

(a).探針分子在HepG2中經過不同處理的成像

(b).不同處理的熒光強度對比

(c).流式細胞儀分析

(d).探針分子在細胞中經過不同處理的成像

Figure 6.體內成像

(a).小鼠經過不同處理后的熒光成像

(b).不同處理的熒光強度對比

(c).組織切片染色

【小結】

在這個工作中，作者首次報道了兩種新的高保真熒光探針NIR-LAP和NIR-ONOO^-用于精確、靈敏和選擇性檢測DILI，減少假陰性信號。這些探針為LAP（80 mU/L）或ONOO^-（90nM）提供了較低的檢測限。由于在生理條件下的高穩定性和選擇性，這些探針可以檢測活細胞中LAP或ONOO^-的小波動。更重要的是，這些熒光探針可以評估肝臟保護藥物對活體動物的肝臟保護作用。簡而言之，這種具有光學可調基團的新型NIR染料平臺可以通過簡單地改變染料的識別位點，很容易地擴展到開發用于不同靶標分析物的其他NIR熒光探針，這可以有效地避免假信號并實現活體中的高保真成像。

De Novo Design of Chemical Stability Near-Infrared Molecular Probefor High-Fidelity Hepatotoxicity Evaluation In Vivo

(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b01374)

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