可用于宏观和微观检测阿尔茨海默症生物大脑中活性氧水平的新型小分子荧光探针

阿尔茨海默症（Alzhemier's disease, AD）是一种原发性神经退行性疾病，其发病机理十分复杂，临床上尚无有效的治疗药物。活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）对正常生理功能起着十分重要的作用，但高水平的ROS会引起许多疾病，如AD、癌症以及糖尿病等。虽然利用小分子探针或者纳米颗粒探针开展细胞内ROS的研究已有相关报道，但利用小分子探针检测大脑中ROS水平的方法尚无文献报道。麻省总院/哈佛大学医学院Martinos Center分子影像中心的冉崇昭（点击查看介绍）课题组利用荧光棒发光原理设计合成的近红外小分子探针填补了这一空白。

当草酸酯类化合物与H₂O₂混合时，草酸酯将部分转化为1,2-二氧杂乙二酮，该类化合物不稳定，会立即分解产生CO₂并释放出光子，从而产生化学发光，这就是我们日常生活中所见到的荧光棒发光原理。根据草酸酯可与ROS发生化学反应的原理，该课题组设计合成了一种基于草酸酯姜黄素衍生物的近红外分子探针CRANAD-61。该分子探针不仅能在宏观水平上检测脑中ROS的浓度，还能通过双光子成像在微观水平上检测Aβ斑块周围的ROS浓度。CRANAD-61与AD大脑中的ROS发生反应引起光谱的蓝移，该波长的蓝移在整体动物成像时表现为一种“可见”至“不可见”的转化，而在双光子成像时该现象可用于鉴别Aβ斑块是否处于“活性”状态（如下图）。

体外实验表明，CRANAD-61有较长的激发和发射波长、合适的脂水分布系数logP，适合近红外荧光成像。溶液测试表明该探针与所有的ROS都具有很好的响应，并且检测浓度达到纳摩尔级。该探针还具有良好的血脑屏障通透性，整体小鼠成像实验（宏观水平）进一步证明了CRANAD-61可用于AD大脑中ROS的成像研究，并可监测AD转基因小鼠大脑中ROS浓度随年龄的变化情况。在微观条件下，双光子显微成像实验也证明了该探针光谱位移的变化情况，进而可以反映在“活性”Aβ斑块周围ROS的局部浓度。因此，CRANAD-61是一种具有快速响应和高灵敏度的新型ROS探针，该研究为深入探索ROS与AD的发生、发展之间的关系提供了理论依据，并为AD治疗药物的研究以及AD的临床诊断提供技术支持。

Figure. In vivo dual-color two-photon imaging of CAA (a) and plaques (c) of APP/PS1 mice after i.v.  injection of CRANAD-61 at different time points, indicating that  CRANAD-61 was able to cross BBB and specifically label plaques and CAAs. Over the time of imaging, intensity in red fluorescence channel decreased while intensity in green fluorescence channel increased, indicating ongoing conversion of CRANAD-61 into CRANAD-5 (b and d) (e) Example of an amyloid plaque co-labeled with FSB and CRANAD-61 imaged in vivo at high magnification. Image was superimposed from acquisition at 800nm excitation (FSB, blue channel) and 900nm excitation (CRANAD-61, red and green channel). A heat map of the fluorescence intensity ratio between green and red channels (e') indicated microregions in the plaque with a higher conversion rate (arrow). (f) Representative images of one plaque that showed no decrease in the red fluorescence intensity at 5 min, 20 min or 60 min (arrow), while the free dye in the blood was significantly reduced.

这一成果近期发表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA 上，文章的第一作者是中国药科大学的联合培养博士生杨剑、张学丽和耶鲁大学的袁鹏博士。

该论文作者为：Jian Yang, Xueli Zhang, Peng Yuan, Jing Yang, Yungen Xu, Jaime Grutzendler, Yihan Shao, Anna Moore, Chongzhao Ran

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Oxalate-curcumin based probe for imaging reactive oxygen species at micro- and macro-levels in Alzheimer's disease

Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2017, DOI: 10.1073/pnas.1706248114

冉崇昭博士简介

冉崇昭，麻省总院/哈佛医学院助理教授。冉崇昭博士先后于中国药科大学和上海医药工业研究所取得硕士和博士学位，随后在芝加哥大学和哈佛医学院从事博士后研究工作。2010年起先后担任麻省总院/哈佛大学医学院讲师和助理教授。

冉崇昭主要研究方向：针对阿尔茨海默症（AD）新型近红外小分子荧光探针的研究；AD中氧化应激作用机制的研究；针对AD诊断新型PET显影剂的研究；新型双光子分子探针的研究；用于AD药物治疗新方法的研究；用于糖尿病及肥胖症新型分子探针和新方法的研究以及新型光学成像技术的研究。冉崇昭发表论文50多篇，包括J. Am. Chem. Soc.、Proc. Natl. Acad. Sci. USA、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Chem. Commun.、Sci. Rep.、PLOS One.、J. Vis. Exp.、Mol. Imaging Biol. 等杂志，2012年起担任Amer. J. Nucl. Med. & Mol. Imaging、Sci. Rep. 编委，Contrast Media & Molecular Imaging 特邀编委，2010年起多次获得美国国立卫生院研究基金。

冉崇昭

http://www.x-mol.com/university/faculty/46679

课题组链接

https://scholar.harvard.edu/ranlab