华南理工蒋兴垭、杜步婕ACS Nano基于电荷配对效应的肾脏清除型化学发光金纳米探针用于体内病理ROS的比率型成像与尿液检测

ROS的过度产生是许多疾病发生和发展过程中常见的病理过程。因此，准确检测体内组织ROS水平可以为疾病的早期诊断和评估提供关键信息。化学发光分子在被ROS氧化时能够发射光子，这使得它们有望用于活体ROS水平的检测。然而，常见的化学发光化合物分子的发射波长短（通常仅为400-500nm），并且水溶性差，这两者都限制了它们在体内的使用。为了解决这些问题，化学发光分子通常被包裹在纳米颗粒中以增强亲水性，并通过化学发光共振能量转移（CRET）机制与其他发光染料耦合，将化学发光波长红移到更长的波长。然而传统的纳米颗粒包载策略会导致纳米颗粒尺寸偏大，且需要采用疏水性结构单元，这两方面因素都容易引起单核吞噬细胞系统（MPS，如肝脏）的积聚，并延缓体内清除速度，从而可能引发副作用。另外，生物组织中光穿透深度有限，使得无创化学发光成像对深层组织应用和临床转化具有挑战性。肾脏可清除光学探针有望绕过组织光穿透深度的限制，通过体外光学尿液分析实现对病理信号的远程检测。然而，目前的尿液光学探针通常依赖于单信号输出，容易受到尿液中探针浓度波动的影响，而尿液中探针浓度可能会因机体水份摄入量或疾病状态而有很大差异。因此，开发低MPS摄取和比率型信号输出的肾脏可清除ROS探针，对实现体内疾病信号的可靠检测十分重要。

2025年9月26日，华南理工大学蒋兴垭教授与杜步婕研究员团队报告了一种基于化学发光分子ABEI偶联的超小近红外发光金纳米探针（ABEI-MSA-AuNPs），在通过电荷配对效应（Charge-pairing effect）实现体内极低MPS摄取和有效肾脏清除的同时，能够对体内病理ROS水平进行无创比率型成像与尿液检测，克服了目前化学发光纳米探针与人工尿液标志物的局限性。相关论文以“Charge-Pairing Enabled Renal-Clearable Chemiluminescent Gold Nanoprobes for Ratiometric Imaging and Urinalysis of Pathological Reactive Oxygen Species”为题，发表在国际期刊ACS Nano。

ABEI（N-(4-aminobutyl)-N-ethylisoluminol）是一种鲁米诺衍生物，可以与多种ROS分子反应并发出蓝光，是生理环境下ROS总体水平的良好报告分子。超小金纳米粒子MSA-AuNPs的斯托克斯位移较大，它能吸收蓝光并发射超过800nm波长的近红外光。研究人员通过将带正电的ABEI分子化学偶联到表面带负电的MSA-AuNP上，构建了能够响应ROS并通过CRET效应发射近红外化学发光的ABEI-MSA-AuNPs。值得注意的是，单独的MSA-AuNPs和ABEI在体内均不通过肾脏代谢清除，然而将MSA-AuNPs和ABEI化学偶联后的ABEI-MSA-AuNPs则可以实现有效的肾脏清除，并且大幅减少了金纳米粒子在肝脏中的累积量，仅约为MSA-AuNPs肝脏累积量的百分之一。结合CRET效应以及ABEI化学发光与MSA-AuNPs光致发光对ROS的不同响应特性，在多种小鼠疾病模型上实现了通过无创比率型近红外活体成像或光学尿液分析来检测病理ROS水平（图1）。

图1.ABEI-MSA-AuNP的制备、体内行为、光学特性以及在检测病理性ROS中的应用示意图

在这项研究中，作者阐明了ABEI-MSA-AuNPs有效肾脏清除和MPS逃逸行为背后的机制（图2）。通过研究ABEI和MSA-AuNPs的结构，注意到 ABEI 分子含有一个叔胺，在生理条件下可以部分质子化形成正电荷，而MSA-AuNPs的表面由于MSA配体赋予的羧基而带高负电荷。通过合成不同量的ABEI偶联的MSA-AuNP进行实验，发现随着表面ABEI数的增加，AuNPs的蛋白质吸附效率逐渐降低，这表明ABEI添加到MSA-AuNP上赋予了AuNPs抗蛋白吸附性能。同时还在体内水平上测试了三种不同ABEI比例的MSA-AuNPs生物分布情况，证实了较低的蛋白质吸附是导致体内MPS逃逸的原因。值得注意的是，仅在阴离子型超小AuNPs上添加一小部分阳离子分子即可以在体内有效抵抗MPS的识别。

图2.电荷配对效应实现了 ABEI-MSA-AuNP 的 MPS 逃逸和肾脏清除

作者进一步验证了化学发光（ChemLu）与光致发光（PhotoLu）的比值与环境中H2O2浓度水平具有高度相关性，且与探针浓度无关，即ABEI-MSA-AuNPs能够根据ChemLu/PhotoLu信号的比率感知环境ROS水平。然后在急性单侧关节炎小鼠模型中，作者验证了通过比率型近红外成像可以实现无创检测浅表关节组织中的病理ROS水平，并可以根据比值大小区分轻度和重度关节炎（图3）。

图3.ABEI-MSA-AuNPs用于关节炎相关ROS的比率型近红外成像

由于光的生物组织穿透深度有限，无创光学成像对深层组织或临床应用来说具有挑战性。而利用ABEI-MSA-AuNP可以通过肾脏清除到尿液中这一特性，可以绕过这一限制，通过简单的尿液分析远程报告内部组织的病理ROS水平。作者推断，在患病部位ABEI-MSA-AuNP与病理性ROS 反应越多，清除到尿液中后留在 AuNPs 表面的完整 ABEI 分子就越少，因此导致尿液的PhotoLu/ChemLu比值更高。为验证该推论，作者构建了横纹肌溶解诱导的小鼠轻度和重度急性肾损伤（AKI）模型，将ABEI-MSA-AuNPs静脉注射到小鼠体内并采集尿液样本。通过量化尿液中的PhotoLu/ChemLu信号比率，发现疾病组小鼠尿液信号比值确实明显高于正常小鼠，并且能够区别轻度与重度肾损伤，说明在AKI早期肾脏中的ROS水平已经出现显著上升现象。进一步验证了基于ABEI-MSA-AuNPs的比率型尿液分析在早期检测AKI 方面的潜力。

图4.ABEI-MSA-AuNPs用于通过系统给药对急性肾损伤相关 ROS 进行比率型尿液检测

考虑到ABEI-MSA-AuNPs的超小尺寸和抗蛋白结合特性，作者推断ABEI-MSA-AuNPs能够有效跨越多种生物屏障，实现通过局部给药对局部ROS进行尿液分析检测，这可能有助于检测系统给药不易靶向的深层组织中的ROS水平。为了证明这一点，作者构建了常见的LPS诱导的小鼠腹膜炎作为局部疾病模型，将ABEI-MSA-AuNPs局部注射到腹膜腔内并采集尿样。结果显示LPS剂量越高，腹膜局部产生的ROS越多，尿液样本的PhotoLu/ChemLu信号比值也越大，表明ABEI-MSA-AuNPs 可以通过局部给药实现与病灶处ROS的原位反应，然后清除到尿液中，从而允许通过比率型尿液分析远程报告局部ROS的水平。

图5.ABEI-MSA-AuNPs用于通过局部给药对腹膜炎相关 ROS 进行比率型尿液分析

结论：

综上所述，研究人员构建了一种超小尺寸、抗非特异性蛋白结合和高效肾脏清除的比率型化学发光纳米探针ABEI-MSA-AuNPs。该探针能够通过系统给药或局部给药与疾病组织中产生的ROS反应，并克服体内生物屏障将疾病处ROS信息带回到尿液中，规避了光学探针在组织穿透深度上的限制，实现通过比率型近红外活体成像或比率型光学尿液分析报告病理 ROS 水平，在早期检测ROS相关疾病方面显示出良好前景。该研究还突出了构建肾清除纳米颗粒的电荷配对策略，即在高度带负电的超小纳米颗粒表面随机组装带正电荷配体（即使比例很小），可有效促进体内单核吞噬系统逃逸并实现肾脏清除。这一发现有望拓展可用于开发肾可清除纳米药物的配体库。

华南理工大学蒋兴垭教授和华南理工大学附属第二医院杜步婕研究员为该论文的共同通讯作者，硕士研究生刘洁墁和李想为本论文的共同第一作者。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10143