ACS sensors:大斯托克斯位移荧光探针用于成像和监测心衰中的过氧化氢水平

荧光探针技术 生物医药技术
秦川    2021-01-07    370

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  背景介绍

  心血管疾病的发病率和死亡率一直是人类大健康的重大隐患然而心力衰竭是很多心血管疾病的终末期阶段表现,已有多项研究表明心衰与细胞的氧化应激密切相关。在氧化应激过程中,由于氧化与抗氧化作用的失衡,过量的活性氧物质会引起系列细胞功能损伤。因此,通过检测细胞中的氧化应激过程,可尽早了解心脏发病机制以便很大程度上改善心脏病的治疗,并降低死亡率。近年来,荧光探针在疾病诊疗及生物成像领域发挥着越来越重要的作用,尤其是调控具有大斯托克斯位移和生物相容性的荧光探针更适用于生物系统中的某些特征应用。

  西北大学李剑利教授课题组近期报道了一例用于心衰过程中心脏及胸主动脉过氧化氢水平检测的荧光探针。研究工作通过对香豆素衍生物的理论计算模拟和结果模型分析,以双香豆素为骨架与硼酸酯识别团组装功能化,成功地将该探针用于生物体系中过氧化氢的检测和成像。相关成果以“Imaging and Monitoring the Hydrogen Peroxide Level in Heart Failure by a Fluorescent Probe with a Large Stokes Shift”为题发表在国际化学生物学权威杂志ACS Sensors上。

  (DOI: 10.1021/acssensors.0c01707)

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  成果简介

  本研究聚焦于心衰检测方法,根据心衰发病与细胞氧化应激的密切关系,采用区别于超声心动图、心电图、胸片等传统检测方法的荧光成像技术,基于对细胞内源性过氧化氢的检测,通过荧光探针的光敏强度变化对细胞内氧化应激水平进行评估。利用该技术可直观的反应心衰发病中心脏及胸主动脉组织中的过氧化氢分布情况,为进一步研究心脏疾病的发病机理提供有效的表达检测工具。

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  氧化应激,即活性氧与抗氧化作用的失衡,近年来被大量研究证明与多种疾病密切相关。细胞中活性氧物质的长期过量积累会引起一系列的DNA损伤和肌体功能紊乱。因此,发展针对氧化应激的检测方法将有助于疾病的早期诊断。荧光探针具有实时监测、非侵入性、原位检测等优点,近年来在生物医学领域获得了很大进展。针对生物样品的检测,具有大斯托克斯位移和低毒性是荧光探针应用在生物成像和特征病症的检测的重要条件。

  针对以上检测需求,作者以理论计算为导引,对香豆素衍生物进行计算模拟设计了具有大斯托克斯位移的功能探针,以水为环境分子,对荧光团与荧光探针结构的能级轨道、吸收/发射光波长、静电势分布进行计算,基于此计算结果预测了探针的光学性能和光致发光机制。

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  在计算导引成功设计合成了功能探针分子,作者对其光学性质进行系统测试,优化结构实现探针对过氧化氢的特异性响应,其荧光强度随着过氧化氢浓度的增加具有良好的线性关系。此外,探针的响应时间及pH稳定性也进行了检测与优化。体外光学性能测试表明,该荧光探针具有优良的生物应用前景

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  基于上述特异的光学性能,作者进一步探索了荧光探针在生物样品中的成像信息表达。通过标准MTT试验对荧光探针的毒性进行评估,继而对细胞内源性过氧化氢进行检测,验证其探针穿透细胞膜行为,并通过不同荧光强度对相应浓度的内源性过氧化氢进行差异化成像。

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  为验证探针对心衰过程中氧化应激检测,作者通过腹腔注射阿霉素构建了大鼠心衰模型并对其心脏及胸主动脉进行H&E染色与荧光成像。通过病理切片比对发现,对照组和治疗组比对表明心衰组大鼠的心室肌细胞肥大,心肌及血管周纤维化,左心室壁厚增加;血管平滑肌细胞数量增加,细胞紊乱,动脉壁肥大。荧光成像结果与预期效果一致,心衰组大鼠的组织荧光强度远高于对照组和治疗组,这说明心衰组大鼠的心脏及胸主动脉细胞中的过氧化氢浓度增加,氧化应激平衡被破坏。

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  总结展望

  综上所述,评估心衰与氧化应激水平的关系,可通过对香豆素衍生物光信号模型计算模拟,构建双香豆素骨架并成功合成了具有大斯托克斯位移的新型荧光功能探针。该探针具有低毒性、高敏感性和优异的选择性与生物相容性等,尤其是在生物造模检测实验中,荧光探针成功实现了心衰大鼠中内源性过氧化氢水平检测,同时表达随着心力衰竭的发生,细胞中过氧化氢积累会明显增加。本研究工作探索了疾病与其标志物之间的相关性,并提供了一种以功能需求为导向构建功能光敏探针的实践新策略。

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