JACS：设计光学/PA双模探针用于小鼠受激H2S上调的体内/外比率型成像

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导读

南京大学郭子建院士、何伟江教授团队和上海师范大学杨仕平教授课题组利用酮-烯醇过渡传感机制，研制了第一个光学/PA双模探HS-CyBz，用该探针在小鼠体内实现了半胱氨酸酶激活物S-腺苷-蛋氨酸(SAM)刺激内源性H₂S上调的比率型成像。相关成果发表在 J. Am. Chem. Soc.上。（DOI: 10.1021/jacs.9b09181）

H₂S作为第三种气体信号分子，参与体内血管扩张、血管生成、抗氧化、抗炎和中枢神经系统的调节。因此，实时追踪H₂S在活体中的浓度波动，对研究H₂S浓度变化致病的病理机制具有重要的意义。目前已有多种荧光探针被开发应用于细胞内H₂S成像，然而，这些探针只能显示H₂S的分布而不能实时追踪组织深层H₂S的波动。PA成像(photoacoustic 成像，光声成像)能显示组织深部几厘米的成像，但其灵敏度和分辨率较低。

南京大学郭子建院士、何伟江教授团队和上海师范大学杨仕平教授课题组结合了光学成像和PA成像的互补优势，利用酮-烯醇过渡传感机制，研制了光学/PA双模探针meso-hydroxyltricarboheptamethine cyanine HS-CyBz和HS-CyBz-1（Figure 1），HS-CyBz比HS-CyBz-1有更高的灵敏度和更快的响应速度（Figure 2）。

Figure 1.HS-CyBz的H₂S-响应机理和HS-CyBz-1的化学结构（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

Figure 2.HS-CyBz和HS-CyBz-1响应速度对比（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

HS-CyBz的吸收光谱在775 nm处呈锐吸收带，708 nm处为肩带。探针在pH 7.4下与Na₂S反应，导致锐带明显减小，在850 nm处略有增加，在825 nm处出现等渗点(Figure 3)。表明该探针可能是一个HS^-响应的比率型探针。

Figure 3.HS-CyBz的紫外和荧光光谱（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者研究了HS- CyBz对其他的生化活性物质的响应，发现只有Na₂S能显著提高F₆₃₀/ F₈₀₅和PA₈₂₅/PA₇₇₅（Figure 4a and 4b）。HS-CyBz溶液做PA成像，当以825 nm（等渗点）激发，随着HS^-滴定PA信号的变化较弱且稳定，而在775 nm处激发，PA信号明显降低。PA₈₂₅/PA₇₇₅的比值几乎线性增加，HS^-从0 mM到1 mM滴加，PA₈₂₅/PA₇₇₅从0.2增加到0.7（Figure 4c）。PA₈₂₅/PA₇₇₅的线性变化显示了比率光声对H₂S的响应能力。

Figure 4.a.HS- CyBz对其他的生物活性物质的光学响应b.HS-CyBz溶液对其他的生物活性物质PA成像c.HS-CyBz溶液以825 nm和775 nm激发的PA成像（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在没有光学成像和PA成像相结合的商业设备的情况下，作者在小鼠身上分别研究了HS-CyBz对H₂S的比率光学成像能力和比率PA成像能力。6周大的小鼠后肢皮下注射检测其体内比率光学成像，通道1（620±20 nm）成像表明，小鼠后肢A和B处的荧光弱几乎是被组织自体荧光掩盖（Figure 5a）。随后在B处注入Na₂S导致荧光增强约1.60倍，但仍被组织自体荧光所掩盖。对照组A处经生理盐水注射后，增强系数较小，约为1.21倍（Figure 5b）。通道2（790±20 nm）成像无明显的自体荧光干扰（Figure 5c），Na₂S注入导致荧光减弱约0.63倍，对照组A减弱约为0.94倍（Figure 5d）。因此，在B处注入Na₂S使比率荧光F₆₂₀/F₇₉₀增加约2.54倍，表明HS^-浓度增加。对照组A显示微弱的比率荧光增强约1.28倍（Figure 5e）。在B处Na₂S导致的比率荧光F₆₂₀/F₇₉₀增强比单通道F₆₂₀荧光增强更加明显。这些数据表明体内比率光学成像比单通道荧光成像更加准确灵敏，有效地降低了自体荧光的干扰和探针浓度偏差的影响。

小鼠背部皮下C和D处进行双通道光声成像，两个通道分别检测探针的光声信号（Figure 5f and 5h）。在D处注射Na₂S使两个通道信号均减弱（Figure 5g and 5i），与预期通道3信号减弱而通道4信号不变不同，猜测是注射扩散导致探针浓度下降引起的。而D处的信号比率PA₈₂₅/PA₇₇₅随着Na₂S的注入增加至0.6，对照组C的PA₈₂₅/PA₇₇₅约为0.53,证实D处HS^-浓度增强。以上数据表明比率型PA成像比单通道PA成像更能减少浓度偏差造成的影响。

Figure 5.a-e.体内比率光学成像（Ch 1：620±20 nm，Ch 2：790±20 nm，λex=560 nm）f−j.比率PA成像（Ch 3：775 nm，Ch 4：825 nm）（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者给小鼠注射HS-CyBz和半胱氨酸酶激活物S-腺苷-蛋氨酸(SAM)验证SAM刺激内源性H₂S上调。通道2（790±20 nm）光学成像显示注射SAM的小鼠荧光比空白组低很多（Figure 6a），表明SAM能显著提高HS^-的水平。离体脏器体外成像显示该探针在肝脏中聚集（Figure 6a）。注射SAM的小鼠比未注射小鼠离体肝脏的比率荧光F₆₂₀/F₇₉₀明显较高（Figure 6b），证实SAM注射诱导内源性H₂S上调。如图所示（Figure 6c and 6d），单通道PA成像很难判断是否为SAM注射引起的上调，而PA比率PA₈₂₅/PA₇₇₅从0.59提高到了0.65（Figure 6e），证实SAM引起内源性H₂S上调，显示了双通道比率PA成像的优越性。

Figure 6.a-b.注射SAM的小鼠光学成像c-e.注射SAM的小鼠PA成像（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：南京大学郭子建院士、何伟江教授团队和上海师范大学杨仕平教授课题组利用酮-烯醇过渡传感机制，研制了第一个光学/PA双模探针meso-hydroxyltricarboheptamethine cyanine（HS-CyBz），实现了对小鼠皮下注射H₂S的光/光声双模成像，两种模式的比率成像有利于减轻组织自身荧光的干扰和探针浓度偏离的影响。尾静脉注射探针和SAM导致小鼠肝脏内H₂S积聚，经光学/PA双模成像证实，SAM刺激小鼠肝脏内源性H₂S增强。本研究表明比率光学/PA双模成像是一种有效的跟踪信号小分子（SSM）在活体小鼠和组织中上调的方法，光学成像和PA成像相结合的透视技术将会促进SSM生物学的发展。

撰稿人：桐豆

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