【人物与科研】湖南大学袁林教授课题组：从头设计化学稳定性近红外分子探针用于活体高保真肝毒性评价

袁林，湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室教授、博士生导师。分别于南华大学和湖南大学获得学士和博士学位，在新加坡国立大学化学系从事博士后研究。2012年至今，历任湖南大学助理教授、副教授、教授。目前已在国际学术期刊上发表论文80余篇,总引用6400余次，h指数为43，其中2012年至今以通讯或第一作者在J. Am. Chem. Soc.（8篇）, Angew. Chem. Int. Ed.（6篇）, Chem. Sci.（3篇）, Anal. Chem.（3篇）, Adv. Funct. Mater., Biomaterials等期刊发表论文40余篇。2016年获国家优秀青年科学基金资助，2017年入选湖南省湖湘青年英才。主要从事分子探针及生物成像、有机光功能染料合成及应用方向的研究。

从头设计化学稳定性近红外分子探针用于活体高保真肝毒性评价

荧光成像技术是检测细胞和活体中各种生物分析物的有效方法，具有简便、灵敏和无创等优点。其中，近红外（NIR）荧光分子由于具有高组织穿透深度和低的自发荧光而更受欢迎，且它们对于实时追踪生物体系中的特殊分析物变化具有明显优势，有助于学者们对相关疾病的深入研究。尽管许多性能优良的NIR荧光探针已被报道可用于各种生物应用，但由于经典NIR染料的局限性，开发合适的NIR探针用于生物分析物的精确检测仍是具有挑战性的课题。最近，该课题组和其他多个课题组发展了系列荧光性能可控的新型NIR荧光染料，目前已被广泛应用于设计具有良好信背比的NIR探针。但是由于大多数NIR探针在实际应用中仍然面临化学稳定性差导致的假信号等问题，因此发展化学稳定的高性能NIR荧光探针，实现对目标分析信号的高保真检测具有重要意义。另外，相比于正常状态下，疾病态下的一些高活性物种可能过量表达，因此近红外探针本身在识别目标分析物之前很容易被这些活性物质破坏，从而导致假信号。药物引起的肝损伤（DILI）就是一个代表性的病理例子。相关研究表明，过氧化亚硝酰阴离子（ONOO⁻）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）可作为DILI的早期诊断指标。然而，由于肝损伤中产生的高浓度活性氧/活性氮和亲核试剂会破化常规NIR荧光探针结构，因此大多数发展的DILI荧光探针在实际检测过程中仍然存在假信号现象。近日，袁林教授课题组在前期研究基础上，希望发展ONOO⁻和LAP的NIR探针来验证他们的设计理念，同时选取DILI作为一种疾病模型以研究构建的NIR探针的性能。

图1. 近红外荧光探针出现假信号的可能原因示意图

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图2. 近红外荧光染料的筛选（A）及其新型近红外染料和探针（B）的设计示意图

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

利用共聚焦荧光成像、流式细胞等技术，探针NIR-LAP首先被应用于DILI细胞模型中LAP含量的可视化检测（图3）。从成像结果可知，随着对乙酰氨基酚含量的增加，细胞内LAP活性出现较大波动。该探针进一步被用于DILI细胞模型中保肝护肝药物（NAC、GSH或Glu）疗效的初步评估。结果显示，这些药物修复肝细胞的程度和剂量相关，且成像结果表明当LAP用作肝毒性的治疗指标时，FDA批准的DILI治疗药物N-乙酰半胱氨酸（NAC）治疗效果要优于GSH和Glu。

图3. 对乙酰氨基酚诱导细胞损伤模型下各种保肝护肝药物疗效的初步评估

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

NIR-LAP经尾静脉注射后，作者通过小动物活体成像系统对肝脏部位进行成像分析和病理组织切片分析（图4）。结果显示，NIR-LAP能够灵敏实时监测对乙酰氨基酚诱导肝损伤及其各种保肝护肝药物修复过程中LAP的含量变化，初步在活体水平上评估了各种保肝护肝药物的治疗效果。

图4. 对乙酰氨基酚诱导活体肝损伤模型下各种保肝护肝药物疗效的初步评估

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

总之，基于染料筛选和理性设计相结合策略，作者开发了具有光学可调基团的化学稳定性NIR荧光团，并在此基础上构建了两种高保真NIR荧光探针NIR-LAP和NIR-ONOO⁻。这些荧光探针不仅能够在体外高灵敏和高选择性地检测LAP和ONOO⁻，而且能够在活体内高保真可视化药物诱导肝损伤过程。利用这些探针，作者也初步评估了六种保肝护肝药物对药物性肝损伤的治疗效果。另外，本研究中开发的具有光学可调基团的化学稳定性NIR荧光团为开发在相关病理环境中应用的"激活型"NIR荧光探针提供有效的荧光报告单元。

 
该研究成果以“De novo design of chemical stability near-infrared molecular probes for high-fidelity hepatotoxicity evaluation in vivo”为题发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.9b01374）。论文的通讯作者为湖南大学化学化工学院袁林教授，第一作者为课题组博士后程丹，并得到了化学化工学院张晓兵教授的大力支持，以及国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目和中国博士后科学基金等项目的支持。