利用基于MOF的荧光纳米探针评估早期动脉粥样硬化小鼠模型进程

动脉粥样硬化(AS)是心血管疾病的根源，会导致心肌梗死、心绞痛、缺血性心脏病、缺血性卒中等心血管疾病(CVD)，它是临床常见病之一，严重威胁着人类健康。AS的形成是多种因素作用的结果，已确定的因素包括高血脂、高血压、糖尿病和吸烟、血管炎症等。动脉粥样硬化是弥散的、多系统全身慢性炎症，不仅累及血管，还影响免疫、代谢系统。因此对动脉粥样硬化实现早期病情的评估与判断，对于疾病的早期干预具有重要意义。

目前临床诊断方法主要依靠血管内超声、正电子发射断层摄影等影像学方法。然而，影像学方法往往应用于斑块形成后，在没有斑块形成的情况下评估动脉粥样硬化的早期仍然是一个挑战。为了解决以上问题，山东师范大学唐波教授（点击查看介绍）、张卫教授（点击查看介绍）报道了一种基于MOF的纳米荧光探针I₃^--RhB@PCN-224，通过对磷酸化和葡萄糖水平的同时检测与成像，评估小鼠早期动脉粥样硬化的进展。该探针用于跟踪动脉粥样硬化斑块形成过程中不同时间阶段血液磷酸根和葡萄糖水平的变化及主动脉血管内壁磷酸根和葡萄糖双光子荧光成像。该研究为早期动脉粥样硬化疾病的评估提供了一种新的分析方法。该研究成果于近期发表在Angew. Chem. In. Ed.上。

图1. 纳米探针的合成方法及其在早期AS模型中磷酸化和葡萄糖水平检测和成像的应用示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最近的研究表明，蛋白质磷酸化和高血糖水平与炎症、肿瘤和心血管疾病的发生密切相关，蛋白质磷酸化几乎在每个生物的各个方面都扮演着重要的角色，例如基因转录、信号转导、肿瘤发生等，炎症的发生往往伴随着磷酸化水平的异常。葡萄糖可能通过影响胆固醇在巨噬细胞的流动而加速巨噬细胞的泡沫化，从而诱导动脉粥样硬化病变的发生。因此，开发用于蛋白磷酸化和葡萄糖原位分析的荧光探针对研究AS的发病机制具有重要意义。I₃^--RhB@PCN-224能够同时对葡萄糖和磷酸根产生荧光响应。在417 nm的激发光下，随着磷酸盐浓度的增加，探针在600-800 nm范围内的荧光强度逐渐增强；同时，在550 nm的激发光下，随着葡萄糖水平的逐渐升高，探针在560-750 nm范围内的荧光升高。另外，I₃^--RhB@PCN-224探针在检测葡萄糖和磷酸根时具有良好的选择性，且互不干扰。

图2. I₃^--RhB@PCN-224的荧光响应图 (a) I₃^--RhB@PCN-224对不同浓度磷酸根溶液的荧光响应 (b) I₃^--RhB@PCN-224与磷酸根浓度成线性相关 (d) I₃^--RhB@PCN-224对不同浓度葡萄糖溶液的荧光响应 (e) I₃^--RhB@PCN-224与葡萄糖浓度成线性相关 (c) 探针的磷酸根选择性 (f) 探针的葡萄糖选择性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

此外，作者通过血清葡萄糖和磷酸根的变化来判断疾病的进展。分别对喂养3周、6周、9周的老鼠进行取血，对血清中的磷酸盐和葡萄糖水平进行荧光检测。最后，血清检测结果显示，动脉粥样硬化小鼠在3周、6周和9周时荧光强度均高于正常小鼠，说明动脉粥样硬化小鼠血清磷酸根和葡萄糖水平均高于正常小鼠。

同时活体成像及双光子荧光成像结果显示，早期AS小鼠主动脉内壁及主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的荧光强度高于正常小鼠，说明早期动脉粥样硬化小鼠的葡萄糖和磷酸化水平高于正常小鼠。 

图3. 早期AS小鼠血管内壁的活体成像。(a) (b)静脉注射I₃^--RhB @PCN-224 (10 mg/kg) 1 h后小鼠(高脂饲料喂养9周)主动脉内壁荧光成像。红色通道λ_ex= 465 nm， λ_em= 600 ~ 750 nm，绿色通道λ_ex= 535 nm， λ_em= 560 ~ 700 nm (c)平均辐射效率(MRE)。**p < 0.01。(d) (e)静脉注射I₃^--RhB @PCN-224 (10 mg/kg) 1 h后小鼠(高脂饲料喂养9周)主要器官的荧光成像。红色通道λ_ex= 465 nm， λ_em= 600 ~ 750 nm，绿色通道λ_ex= 535 nm， λ_em= 560 ~ 700 nm。(f)和(g)分别为图5d和5e的强度输出，即心、肝、脾、肺和肾的平均辐射效率(MRE)。**p < 0.01。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图4. 双光子胸主动脉成像。小鼠经尾静脉注射I₃^--RhB @PCN-224 (10 mg/kg) 1 h后成像。(a)正常组胸主动脉双光子成像(b) AS组胸主动脉双光子成像(c)荧光强度输出。红色通道λ_ex=830 nm，采集600-750 nm波长范围内的图像，绿色通道λ_ex=1100 nm，采集560-600 nm波长范围内的图像。***p < 0.001。(d), (e)小鼠主动脉内壁不同深度磷酸化和葡萄糖水平的荧光成像。(d)红色通道发射范围为600-750 nm，λ_ex=830 nm (e)绿色通道发射范围为560-600 nm，λ_ex=1100 nm。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总之，作者设计并制备了一种荧光纳米探针I₃^--RhB@PCN-224，可以同时检测和成像早期AS小鼠模型中的蛋白磷酸化和葡萄糖水平。该研究为阐明AS的调控机制和早期诊断提供了合适的荧光工具。

文章的第一作者是山东师范大学硕士研究生温宁，通讯作者为唐波教授和张卫教授。

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）：

Monitoring the Progression of Early Atherosclerosis Using a Fluorescence Nanoprobe for the Detection and Imaging of Phosphorylation and Glucose Levels

Ning Wen, Jin Li, Wei Zhang*, Ping Li, Xia Yin, Wen Zhang, Hui Wang, Bo Tang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202302161

导师介绍

唐波

https://www.x-mol.com/university/faculty/12175 

张卫

https://www.x-mol.com/university/faculty/12216