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Angew. Chem. :NIR-II光聲探針用于活體腫瘤NO高空間分辨定量成像2024-05-02
一氧化氮(NO)作為一種多效性信號分子,不僅具有信號轉導的功能,而且與多種疾病的發生發展密切相關。現有的研究表明NO具有促進腫瘤發展和抗腫瘤的雙重作用,這主要取決于NO的濃度:低濃度NO促進腫瘤的生長;高濃度NO抑制腫瘤發展。因此,實現活體腫瘤NO動態的高分辨成像與量化對于揭示其在病理過程中所扮演的雙重作用至關重要。然而,由于缺乏合適的分子探針,實現腫瘤中NO的高分辨定量分析仍然存在重大挑戰。

針對這一現狀,南京林業大學劉志鵬教授團隊與南京大學郭子建院士團隊展開合作,設計開發了一種可用于活體腫瘤NO高空間分辨量化成像的NIR-II光聲探針(圖1)。結合比例型三維光聲成像技術,探針SPANO2在模型鼠腫瘤發展和藥物治療的過程中,可以精準量化NO的濃度,研究首次確定了NO雙重作用的濃度閾值約為80 nmol/cm3。基于成像結果對不同臟器NO濃度進行分析,作者發現在腫瘤發展的過程中NO介導了腫瘤與肝臟之間的化學通訊。

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圖1 探針的分子結構與活體腫瘤NO高空間分辨量化成像示意圖

該課題組前期的工作表明,乙烯橋聯的BODIPY二聚體骨架(BisBDP1)可用于構建NIR-II吸收型染料。通過對其進行NO響應基團修飾,同時引入生物素聚醚鏈作為水溶性靶向基團,作者獲得了具有腫瘤靶向能力的光聲探針SPANO2。SPANO2對NO具有良好的比例響應行為,最大吸收波長在結合NO后從1010 nm處藍移至950 nm。探針的比例型響應行為能夠避免生物體內源性血紅蛋白產生的背景信號干擾,實現NO的高分辨成像。

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圖2 探針的光物理性質

在生物實驗中,作者首先利用該課題組前期開發的NIR-I光聲探針PANO2與SPANO2進行成像比較,評估了NIR-I與NIR-II光聲探針在組織穿透深度和成像分辨率之間的差異。如圖3所示,SPANO2的活體成像深度(9.5 mm)和信噪比(4.8 db)明顯高于PANO2(4.7 mm, 3.1 db),這一結果證明了NIR-II光聲探針在活體成像應用中的優勢。其次,以SPANO2作為成像試劑,結合雙通道比例型3D-PA成像,可以清楚的分辨模型鼠腫瘤的輪廓和腫瘤中NO的分布信息。

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圖3 探針高空間分辨成像研究

接下來,作者處理分析了腫瘤中不同深度橫截面中比例型PA信號(0-8 mm),比例信號整體分布較均勻,這有利于信號強度的精準量化。通過高分辨光聲成像、體外試劑盒檢測等手段,作者建立了比例光聲信號-腫瘤NO濃度之間的關系,首次實現了活體器官中NO高分辨定量分析方法。隨后作者研究了在腫瘤生長和藥物治療過程中,不同器官內NO濃度的變化情況。基于成像結果和量化分析,作者不僅確定了腫瘤中約80 nmol/cm3的NO濃度是主導腫瘤生長或抑制的關鍵閾值,還發現了腫瘤和肝臟之間可能存在NO參與介導的化學通訊。在腫瘤生長過程中,肝臟中NO濃度逐漸下降,通過免疫熒光染色分析對其分子機制進行了探索,作者發現肝臟中神經型一氧化氮合成酶表達的降低可能是導致肝臟NO濃度下降的主要原因。

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圖4 NO量化成像研究

該研究不僅為闡明NO對腫瘤發生發展的調控與干預機制提供了可靠的研究工具,還將促進NIR-II分子光聲探針在化學生物學及生物醫學等領域的應用。

文信息

A NIR-II Photoacoustic Probe for High Spatial Quantitative Imaging of Tumor Nitric Oxide in Vivo

Zhiyong Jiang, Changli Zhang, Qian Sun, Xiaoqing Wang, Yuncong Chen, Wejiang He, Zijian Guo, Zhipeng Liu*

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202320072

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