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南京林业大学刘志鹏教授团队Angew:小分子比例型光声探针用于活体小鼠脑部铜离子(II)高时空分辨成像

作为人体内第三丰富的必需过渡金属元素,铜在中枢神经系统的发育和功能调控中发挥重要作用。然而,铜稳态的异常会使细胞内Cu2+累积,导致脑部氧化还原状态失调从而诱发多种神经退行性疾病。因此,开发能够用于大脑中Cu2+实时动态成像的分子探针对于揭示其对神经系统的调控与干预机制,阐明相关疾病的研究及治疗具有重要意义。


脑部Cu2+的实时动态成像需要探针具有通过血脑屏障(BBB)的能力,同时满足深层组织穿透及高分辨率的要求。然而,现有的Cu2+荧光探针受限于组织穿透深度,难以满足脑部Cu2+高时空分辨成像的要求。光声成像(PA)技术作为一种新兴的非侵入性和非放射性成像方式,虽然具有高灵敏度、高空间分辨率和深层组织穿透能力等优势,能够用于活体深层组织成像,然而受限于BBB通过性差、比例响应难等问题,具有脑部高时空分辨成像能力的小分子Cu2+光声探针的开发仍面临巨大挑战。


针对这一现状,南京林业大学刘志鹏教授(点击查看介绍)团队与南京大学郭子建院士(点击查看介绍)团队展开合作,设计开发了一种可用于活体小鼠脑部Cu2+高时空分辨成像的小分子光声探针(图1)。结合比例型三维光声成像,该探针不仅可以实现微米级分辨率,还可以在帕金森病(PD)模型鼠发展和药物干预的过程中,精准可视化脑部不同区域Cu2+的动态分布。基于成像结果,作者揭示了大脑皮层、海马和丘脑区域Cu2+水平的变化与PD疾病之间存在密切联系。相关研究发表在Angewandte Chemie International Edition 杂志上。

图1. 探针的分子结构与活体脑部Cu2+高时空分辨成像示意图


该课题组前期的工作表明(J. Am. Chem. Soc2023145, 7952-7961;Angew. Chem. Int. Ed202362, e202214505),具有推拉电子结构的BODIPY骨架不仅具有BBB通过潜力而且具有优异的光声发射能力,通过对其进行Cu2+螯合团及取代基修饰,作者获得具有BBB通过能力的光声探针PACu3。PACu3与Cu2+为1: 1配位并且具有良好的比例响应行为,最大吸收波长在结合Cu2+后从710 nm处红移至800 nm。通过HRMS和EPR研究表明该红移吸收峰是由于Cu2+与探针配位后生成了稳定的自由基阴离子[Cu2+-(PACu3)·-]+。由于细胞内Cu2+存在结合/非结合态两种形式,因此,作者通过解离常数(Kd)测试研究了PACu3对Cu2+的结合能力,与体内大多数Cu2+螯合蛋白相比表现出中等的结合能力,表明探针具有体内Cu2+动态检测的潜力。考虑到生物体内Cu2+Cu+之间的共存关系,作者在选择性测试中重点探究了探针PACu3对于Cu2+Cu+的响应行为。在除氧的溶剂中,PACu3与和Cu+的吸收光谱没有任何变化;一旦引入空气以后,吸收光谱的变化行为表明Cu2+-PACu3配合物的形成,这说明Cu+逐渐氧化成Cu2+后再与探针配位。当Cu2+加入到除氧的PACu3溶液中时,测试液的颜色和吸收光谱均表现出瞬间变化。这些结果表明PACu3可以选择性地响应Cu2+而不是Cu+,证明其高的选择性和出色的氧化还原特异性响应能力。

图2. 探针的光物理性质


作者首先通过脑/血浆探针分配、平行人工膜体外渗透以及野生型小鼠和PD小鼠模型的脑部光声成像实验证明了PACu3优异的BBB渗透能力和高分辨率成像性能。其次,结合双通道比例型3D-PA成像,在MPTP诱导PD疾病发生的过程中,对小鼠脑部进行高时空分辨成像,结果显示PA信号逐渐增强,这表明脑部Cu2+水平逐渐增加。作者通过对脑部PA成像后处理,提供了不同深度下更为清晰的大脑断层成像。成像结果表明在PD模型鼠发展过程中,Cu2+在大脑的不同区域分布有明显变化,其中,大脑皮层、海马体和丘脑的Cu2+含量相对较高。同时,作者通ICP-MS也验证了这些区域中Cu2+水平呈增加趋势。

图3. 探针高时空分辨脑部成像研究


最后,作者又研究了用不同剂量的抗氧化药物L-多巴对PD模型鼠药物干预的过程中,脑部不同区域Cu2+光声信号的变化,进一步证明了大脑皮层中Cu2+水平的增加与PD疾病之间存在密切关联。结合Western blot试验,作者对PD鼠脑部Cu2+水平变化背后的分子机制进行了探究,实验结果表明,PD小鼠大脑中的铜稳态失衡主要受二价金属离子转运蛋白1(DMT1)的表达水平所影响。

图4. 成像结果分析与分子机制研究


以上研究初步证明了探针PACu3在小鼠脑部具有高时空分辨成像Cu2+的能力,有望为脑部疾病的分子机制及诊疗研究提供支持。


南京林业大学刘志鹏教授为通讯作者。该研究工作得到了南京大学郭子建院士的悉心指导,以及南京大学陈韵聪教授、浙江大学第一附属医院凌宗欣副研究员、南京晓庄学院张长丽教授和南京林业大学王小青副教授在实验方面的指导与帮助。南京大学-南京林业大学联合培养博士生姜志勇为第一作者。同时,该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。作者在此表示感谢!


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A Small-Molecule Ratiometric Photoacoustic Probe for High-Spatiotemporal-Resolution Imaging of Copper(II) Dynamics in the Mouse Brain

Zhiyong Jiang, Changli Zhang, Xiaoqing Wang, Zongxin Ling, Yuncong Chen, Zijian Guo, Zhipeng Liu

Angew. Chem. Int. Ed.2024, DOI: 10.1002/anie.202318340


导师介绍

刘志鹏

https://www.x-mol.com/university/faculty/27727 

郭子建

https://www.x-mol.com/university/faculty/11597 


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