湖南大学袁林课题组J. Am. Chem. Soc.:化学稳定的近红外分子探针用于体内高保真肝毒性评估

【引言】

荧光成像技术一直是检测活细胞和动物体内各种生物分析物的有效方法，具有简单，灵敏和无创的优点。迄今为止，大量荧光探针已经被开发出来应用于监测生物分析物活动，诊断，甚至手术示踪。在可激活的荧光探针中，近红外（NIR）分子由于较高的组织穿透深度和来自生物系统的低自发荧光而备受欢迎。因此，开发用于实时跟踪生命系统中的特殊物质变化的NIR荧光探针，有助于科研工作者研究它们的功能和相关的疾病诊断。尽管已经报道了许多使用NIR荧光探针应用的广泛例子，但由于经典NIR染料的固有限制，开发用于精确检测目标分析物的探针仍然具有挑战性。最近，湖南大学袁林教授课题组开发了一种具有光学可调基团的新型荧光染料，该荧光染料已用于开发不同信号背景比提高的NIR探针。但是，大多数NIR探针仍然面临着假信号问题。一般出现假信号有两个主要原因：（1）选择性差，在复杂的生物环境中易受多种生物分子干扰; （2）稳定性差，在生命系统中易被高活性物质或亲核试剂分解。一方面，如果荧光探针的选择性差，那么它将识别目标分析物的类似物并引起假阳性信号。另一方面，如果荧光探针/染料具有较差的稳定性，那么在分析物在生物介质中被识别之前或之后它很容易被生物相关分子（亲核或氧化物质）破坏，会导致假阴性信号。到目前为止，大多数工作都集中在提高探针本身的选择性以解决假信号问题。然而，对于增强探针/荧光团对体内高活性物质和亲核试剂的化学稳定性的研究十分匮乏。因此，合理设计具有高性能的高稳定性NIR荧光探针以获得准确的检测并避免对目标分析物的假信号现象对于实际应用是必不可少的。

【成果简介】

近日，湖南大学袁林教授课题组使用筛选结合合理设计的方法应用于近红外荧光探针的开发，这种方法的有效性作者在以前的工作中已经证明。在这个工作中，作者收集了一系列近红外荧光染料，包括DCM染料，BODIPY染料，花菁染料，方酸染料和苯并吡喃染料等，并测试了它们对各种高活性物质的稳定性，并筛选出稳定的NIR荧光团。然后，在此基础上分别构建了用于LAP和ONOO^-的两种高保真荧光探针（NIR-LAP和NIR-ONOO^-）。两种探针均显示出高灵敏度（LAP的检测限为80mU/L，ONOO^-的检测限为90nM）和对共存的ROS和RNS的显著稳定性。通过检测细胞线粒体LAP和ONOO^-证明探针的有效性，并用于观察药物诱导的肝毒性中LAP和ONOO^-的波动。最后，该探针成功用于监测对乙酰氨基酚（APAP）诱导的肝毒性的修复药物的有效性。因此，组合筛选和合理设计的方法为高保真NIR探针提供了一种方便有效的策略，以改变其在分析物检测中的稳定性和灵敏度。该成果以题为“De Novo Designof Chemical Stability Near-Infrared Molecular Probefor High-Fidelity Hepatotoxicity Evaluation In Vivo”发表在J. Am. Chem. Soc.上。

【图文导读】

Figure 1.探针分子的设计、机理以及荧光响应 

(a).NIR荧光探针产生假荧光信号的原因

(b).探针分子的设计与结构

(c,d,e).探针分子对ONOO^-的荧光响应

Figure 2.近红外荧光染料筛选与目标探针设计

(a). 近红外荧光染料的筛选

(b).目标探针设计

Figure 3.NIR-LAP对LAP的浓度响应和特异性响应

Figure 4.细胞成像

(a).探针分子在HepG2中对LAP成像

(b).不同处理的荧光强度对比

(c).探针分子在HepG2中对ONOO^-成像

(d).探针分子与商业染料在细胞内的共定位

Figure 5.细胞成像

(a).探针分子在HepG2中经过不同处理的成像

(b).不同处理的荧光强度对比

(c).流式细胞仪分析

(d).探针分子在细胞中经过不同处理的成像

Figure 6.体内成像

(a).小鼠经过不同处理后的荧光成像

(b).不同处理的荧光强度对比

(c).组织切片染色

【小结】

在这个工作中，作者首次报道了两种新的高保真荧光探针NIR-LAP和NIR-ONOO^-用于精确、灵敏和选择性检测DILI，减少假阴性信号。这些探针为LAP（80 mU/L）或ONOO^-（90nM）提供了较低的检测限。由于在生理条件下的高稳定性和选择性，这些探针可以检测活细胞中LAP或ONOO^-的小波动。更重要的是，这些荧光探针可以评估肝脏保护药物对活体动物的肝脏保护作用。简而言之，这种具有光学可调基团的新型NIR染料平台可以通过简单地改变染料的识别位点，很容易地扩展到开发用于不同靶标分析物的其他NIR荧光探针，这可以有效地避免假信号并实现活体中的高保真成像。

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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