基于D-π-A结构的近红外Aβ斑块探针的研究

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

阿尔茨海默症（Alzheimer's Disease，AD）是一种慢性的神经退行性疾病，临床症状主要表现为记忆力丧失、空间识别障碍、感知功能缺失，是老年痴呆最主要的表现形式。最新的数据显示全球范围内已有2660万的AD患者，预计到2050年将达到一亿，将为家庭以及社会带来严重的负担。随着中国老龄化的加剧，大家在日常生活中也越来越多地听到有关AD的报道。造成AD的原因是多方面的，比如年龄、遗传、环境、脑创伤、抑郁、糖尿病、高血脂和血管因素等，AD早期准确诊断以及病况监测手段的缺失更进一步阻碍了治疗药物研究的进展。目前，β 淀粉样级联假说揭示了Aβ 斑块在脑内的缓慢沉积是AD的重要病理特征之一，而尸检在脑部发现Aβ 斑块也是AD确诊的金标准。因此，以Aβ 斑块作为靶点，开发与之具有高亲和力的分子探针，并利用分子影像技术就可以实现AD的早期无损伤诊断。近红外荧光成像技术能够有效穿透生物组织，避免生物自发光的干扰，相比核医学成像操作简便、价格低廉，尤其在药物筛选以及检测中呈现出巨大的优势。

图1. 基于D-π-A结构的近红外荧光探针针对共轭π桥进行了系统的结构修饰，以探讨对光学性质和生物性质的影响。

北京师范大学的崔孟超（点击查看介绍）团队在开发基于D-π-A结构的近红外Aβ 探针过程中发现探针的共轭π桥部分对于其光学性质以及生物性质起着至关重要的作用，因此在前期研究的基础上（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 3388），他们通过调节探针分子中共轭双键的长度以及芳香环中含氮原子的个数，系统全面地研究了D-π-A类近红外Aβ 斑块分子探针的光学性质以及生物性质与共轭π桥之间的关系（图1）。首先，随着共轭双键的增长，探针的荧光发射波长、紫外吸收波长呈现出逐渐增加、最终达到饱和的趋势；荧光量子产率、结合Aβ 蛋白后荧光强度的增加值、与Aβ 蛋白的亲和力常数、通过小鼠血脑屏障的能力均呈现出先增加后降低的趋势；当共轭双键长度一定时，随着芳香环中含氮原子个数的增加，光学性质与生物性质均出现依次降低的规律；氮原子个数的增加也有效降低了探针的脂溶性。

图2. 探针PHC-4在AD转基因小鼠和正常对照小鼠中活体荧光成像的结果（A）及探针在小鼠脑部荧光信号随时间变化的曲线（B）。

此外，他们还成功筛选出性质优良的探针PHC-4，结合Aβ 蛋白后的荧光发射波长达到741 nm，能够清晰地对AD病人脑切片上的Aβ 斑块进行染色，与Aβ 蛋白具有高亲和性（K_i= 14.1 nM），并可以高效穿透血脑屏障（初始脑摄取值达到11.55% ID/g）。在活体的荧光成像中，PHC-4能够有效地区分转基因小鼠与正常小鼠（图2）。这一系统性的工作将为今后设计D-π-A类Aβ 探针提供重要的思路与依据。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者为北京师范大学的博士研究生周凯翔。

该课题组近期报道的其他相关文章还包括Anal. Chem., 2016, 88, 1944；Chem. Commun., 2016, 52, 12745；J. Med. Chem., 2015, 58, 6972；Chem. Commun., 2015, 51, 11665；Chem. Commun., 2014, 50, 11875；J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 3388。

该论文作者为：Kaixiang Zhou, Hongcun Bai, Liang Feng, Jiapei Dai and Mengchao Cui

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Smart D-π-A Type Near-Infrared Aβ Probes: Effects of a Marked π Bridge on Optical and Biological Properties

Anal. Chem., 2017, 89, 9432, DOI: 10.1021/acs.analchem.7b02246

崔孟超博士简介

崔孟超，北京师范大学化学学院副教授，放射性药物教育部重点实验室副主任；2011年于北京师范大学取得博士学位，2009年至2011年在日本京都大学药学研究科博士联合培养，2011年8月起就职于北京师范大学。

崔孟超的研究领域是面向疾病早期诊断的分子探针（荧光及放射性核素标记）的研究与开发，在相关领域发表SCI论文50余篇，包括以第一或通讯作者发表在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Commun.、J. Med. Chem. 等杂志上；获授权发明专利3项，2012年北京市优秀博士论文奖，2014年获核医学领域重要奖项——肖伦青年科技奖。

http://www.x-mol.com/university/faculty/8987

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究初衷是希望对基于D-π-A结构的近红外Aβ 探针的分子骨架与Aβ 斑块相互作用的规律进行总结。之前我们已经陆续报道了一些基于D-π-A结构的探针，也发现了一些规律，但还不够系统。因此，在该研究中我们进行了完善和拓展，产生的结果可以为设计新的探针提供思路以及数据支持。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战首先在于探针分子的合成，随着共轭双键的增加，合成纯化的难度也不断加大，需要一些操作技巧才能得到最终产物。其次，该工作的完成离不开多学科的交叉，从最初的分子设计、化学合成、计算机模拟、光学性质和生物性质（蛋白分子水平、组织切片水平到活体动物）的评价，研究者需要对多方面的知识以及实验技能具有熟练的掌握、工作量大且周期长，但这种系统以及深入的工作同样是我们实验室的特色。