Angew：光声探针成像斑块内氧化应激和弹性蛋白酶

动脉粥样硬化性心脑血管疾病是全球主要死亡原因。动脉粥样硬化（AS）是一种慢性炎症性疾病，其主要特征是血管内斑块的形成和堆积。这些斑块可能会导致血管狭窄和血栓形成，最终引发心脑血管事件，如心肌梗死和中风。动脉粥样硬化斑块的形成和破裂是这些不良事件发生的关键环节。因此，准确识别和表征斑块的特征对于降低心血管病发病率至关重要。然而，预测斑块的发展阶段和易损性仍然是一个巨大的挑战，这凸显了开发无创和可靠的方法来识别高风险斑块的迫切需求。

AS的发展过程中涉及到氧化应激。氧化应激是由于细胞内氧化还原失衡而产生的一系列生物化学反应，会导致细胞内外环境的不稳定，从而引发血管内皮功能异常、脂质过氧化和炎症反应的加剧，进而促进动脉粥样斑块的形成和发展。中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）是一种重要的蛋白酶，其活性与斑块的稳定性和易破裂性密切相关。NE能够降解斑块中的胶原蛋白和弹性蛋白，从而导致斑块的脆弱性增加，易发生斑块破裂并引发心脑血管事件。然而，传统成像技术难以全面评估斑块内的氧化应激水平和NE活性，因此需要新的方法来实现这一目标。

针对该领域现存的问题，湖南大学化学化工学院宋国胜教授（点击查看介绍）开发了一种光声探针（UMAPP），用于同时成像动态氧化应激水平和斑块内NE活性。UMAPP的设计原理基于其特殊的分子结构，使其能够同时实现中性粒细胞弹性蛋白酶活性和氧化应激水平的动态监测。UMAPP在实验中的结果为动脉粥样硬化的辅助诊断开辟了新的途径，具有重要的临床应用前景。其设计具有双重功能，可以同时检测氧化应激和NE浓度，而且几乎没有受到干扰，为在活体动物中无创监测这些参数提供了可能。UMAPP针对动脉粥样硬化斑块具有特异性，能够动态反映斑块内的氧化应激和NE活性，有助于识别易破裂的斑块。此外，在肺炎感染期间以及在接受抗炎治疗的动脉粥样硬化小鼠模型中，UMAPP展现出了潜在的应用价值，能够检测NE浓度和氧化应激的分子水平变化。这表明UMAPP在辅助诊断动脉粥样硬化方面具有实际应用的潜力。

UMAPP的设计原理：UMAPP的设计基于其特殊的分子结构，包括BODIPY核心、中性粒细胞弹性蛋白酶识别的多肽和两个氧化还原敏感的邻苯二酚基团，使其能够同时实现中性粒细胞弹性蛋白酶活性和氧化应激水平的动态监测。

溶液测试结果：UMAPP在溶液测试中展现出对NE和氧化应激的高度敏感性和选择性。暴露于NE时，UMAPP的多肽被切割，释放出裸露的氨基基团，通过光诱导电子转移（PET）效应增强了光声信号，而不改变共轭效应。另一方面，当暴露于O₂^•‒时，UMAPP的邻苯二酚基团氧化，导致光声谱峰位置的移动，随后GSH的还原使PA745/PA685比率能够准确反映动态的氧化应激水平。

动物实验结果：UMAPP在动脉粥样硬化模型中实现了斑块内氧化应激和NE活性的同时成像。通过在AS小鼠模型中的应用，UMAPP成功地区分了AS小鼠和健康小鼠，评估了肺炎对斑块内生物标志物的影响，并验证了UMAPP在药物治疗研究中的有效性，能够在可观察的病理变化之前检测到分子水平的变化。UMAPP的动物实验结果证实了其在AS诊断和管理中的潜在应用前景。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的通讯作者是湖南大学宋国胜教授，第一作者是湖南大学博士马原。

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Simultaneous In Vivo Imaging of Neutrophil Elastase and Oxidative Stress in Atherosclerotic Plaques Using a Unimolecular Photoacoustic Probe

Yuan Ma, Hui Cao, Baode Chen, Xinyu Xu, Qingpeng Zhang, Haoming Chen, Xiao-Bing Zhang, Guosheng Song

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202411840

导师介绍

宋国胜

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