东南大学最新ACS Nano:近红外荧光染料作为高灵敏度半胱氨酸纳米探针监测缺血性脑卒中

2024-06-11 BioMed科技 BioMed科技 发表于上海

本文设计并合成了一种基于分子内电荷转移(ICT)机制的近红外荧光染料 S-DCM-OH(835),并进一步制备了荧光纳米探针 S-DCM-NIR(835)NP,用于特异性检测半胱氨酸(Cys)。

氨基酸参与人体生理和病理的几个过程,已成为监测探针的主要靶点之一。半胱氨酸(Cys)是一种含硫的非必需氨基酸。作为谷胱甘肽的关键成分,这种氨基酸参与了许多重要的生理功能,如蛋白质合成、代谢和其他过程。它主要分布在器官(肝脏和肾脏)和皮下组织中。此外,它还与许多疾病的发展有关,如脑血管疾病(中风)。在正常大脑中,Cys通常被氧化为各种必需的化合物。在缺血性中风条件下,这些氧化途径可能被破,因此Cys在病变区域的浓度在短时间内显著增加。因此,Cys可能是描述脑卒中损伤程度的良好指标。然而,目前还没有实时检测组织中Cys变化的体内成像方法。此外,在监测Cys的过程中,谷胱甘肽(GSH)和同型半胱氨酸(Hcy)都可能干扰Cys,因为它们具有相似的结构。因此,特异性鉴定Cys仍然具有挑战性。

在本研究中,东南大学杨芳教授和Min Ji等人基于分子内电荷转移(ICT)机制,设计了硫取代的二氰基亚甲基-4H-色烯(DCM)衍生物(S-DCM-OH(835))作为近红外荧光染料。基于该化学结构,作者进一步制备了平均直径为17.69nm的荧光S-DCM-NIR(835)纳米探针作为NIR成像纳米探针。结果表明,该纳米探针通过Michael加成反应实现对半胱氨酸的高特异性鉴定,检测限为0.11μM。更重要的是,在缺血性中风小鼠模型中,S-DCM-NIR(835)纳米探针可以监测由于缺血性中风条件下Cys代谢的破坏而导致的中风病变处Cys浓度的变化。因此,S-DCM-NIR(835)纳米探针不仅可以利用反应时间来区分缺血性中风的严重程度,而且可以在体内实时量化Cys的浓度。相关工作以“A Near-Infrared Fluorescent Dye with Tunable Emission Wavelength and Stokes Shift as a High-Sensitivity Cysteine Nanoprobe for Monitoring Ischemic Stroke”为题发表在ACS Nano

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【文章要点】

在这项工作中,苯酚被用作电子供体,其骨架被扩增以获得具有更强电子供体能力的黄嘌呤基团。进一步地,作者将该电子供体引入具有硫取代的骨架作为电子受体的结构中,从而合成了S-DCM-OH和S-DCM-OH(835)。S-DCM-OH(835)作为近红外荧光染料,具有长波长发射(超过800nm)和大的斯托克斯位移(超过220nm)。基于这种染料,设计并合成了一种用于特异性检测Cys的近红外荧光探针S-DCM-NIR(835)。在该探针中,丙烯酸酯基团被用作探针的识别位点,利用Michael加成反应可与Cys相互作用,进而生成相应的硫醚。随后,通过分子内环化和裂解等过程产生内酰胺副产物和近红外荧光染料。与商用ICG相比,超过220nm不仅在发射波长上同步,而且在斯托克斯位移方面也远优于商用ICG。这些优点使得基于该染料的S-DCM-NIR(835)的设计具有潜在的生物应用价值(图1)。

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图1 S-DCM-OH(835)

考虑到有机小分子探针在水溶液中溶解性差、易沉淀,存在一定的尾静脉注射风险。为了更好地进行体内成像,作者将S-DCM-NIR(835)与mPEG2000 DSPE自组装,构建水溶性纳米探针(S-DCM-NIR(835)NP)。考虑到缺血性脑卒中过程中Cys的浓度变化,作者设计了不同损伤程度的脑卒中模型。S-DCM-NIR(835)NP可实时监测中风病变,并且由于不同程度的动物模型引起的Cys浓度不同,在不同的缺血性卒中模型中获得了来自S-DCM-NIR(835)NP的不同荧光信号(图2)。因此,S-DCM-NIR(835)NP有望成为一种实时准确监测体内Cys的方法。

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图2 S-DCM-NIR(835)NP及其体内成像监测

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c04211

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