Nature BE：李乐乐团队实现炎症相关mRNA体内实时动态成像及早期诊断

炎症（Inflammation）被认为是包括缺血性中风、扩张型心肌病和癌症在内的多种疾病发病的关键因素。因此，对炎症过程的准确监测在早期诊断和疾病干预中具有重要价值。

常规诊断方法包括血液生物标志物测试、组织活检和尿液分析，但这些通常只是单时间点测试，无法用于炎症过程的实时、动态监测。而分子成像（Molecular imaging）因为具有非侵入性、实时等优点，为监测炎症的发生和发展提供了极具潜力的方法。

最近的一些研究显示，RNA 可通过改变表达和定位来调控炎症发生、发展和消退，是炎症过程中的关键调控因子，因此，RNA 可能作为炎症诊断的生物标志物，但是将 RNA 作为生物标志物用于炎症的体内光学成像尚未得到证实。

2022年9月1日，国家纳米科学中心李乐乐课题组在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表了题为：Spatially resolved in vivo imaging of inflammation-associated mRNA via enzymatic fluorescence amplification in a molecular beacon 的研究论文。

该研究设计并构建了一种基于酶触发型分子信标的炎症细胞特异性信号放大方法，通过空间选择性放大炎症相关 RNA 成像信号，实现了炎症的实时动态成像及早期诊断。

在过去二十年里，科学家们开发出了一系列能够灵敏检测 RNA 的技术，包括荧光原位杂交（FISH）、原位测序等方法，可提供单细胞甚至亚细胞分辨率的 RNA 检测。

然而，在进行RNA成像时需要放大RNA信号，但这些方法通常需要提前固定和通透细胞。此外，这些信号放大方法往往还缺少空间分辨率和细胞选择性，这些都限制了其在体内成像的实际应用。

分子信标（Molecular Beacon，MB）为 RNA 分析提供了一种直接且广泛适用的工具，MB 辅助信号放大可以提高 RNA 检测灵敏度，但它仅适用于在试管中的检测，尚未应用于活体动物的 RNA 成像。

2019年3月，李乐乐课题组在 JACS 发表论文，通过构建光敏性分子信标并结合转换发光技术，实现了时空可控的活细胞 RNA 成像。

但在该方法中，一个分子信标只能识别一个靶标 RNA，因此信号输出不足、检测灵敏度不高。此外，光的有限组织穿透深度也限制了其在活体中的应用。因此，用于体内 RNA 成像的空间选择性信号放大仍然是一个巨大的挑战。

在这项最新研究中，李乐乐团队在前期研究的基础上，设计并开发了一种由人脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）触发的分子信标（MB）探针——E-MBP，用于对体内 RNA 进行特异性放大成像，从而能够直接评估炎症。由于E-MBP 需要两个相关的输入（APE1和mRNA）来产生放大的信号，因此可以提高空间选择性，将炎症组织与健康组织区分开来。

APE1 是一种多功能酶，可通过去除脱嘌呤/脱嘧啶位点来修复 DNA 损伤，该方法的信号放大机制在于 APE1 对分子信标的靶 RNA 依赖性炎症细胞选择性切割，能够特异性倍增炎症细胞内的应答信号，实现了炎症相关 mRNA 的高信背比成像。

酶促信号放大实现炎症相关mRNA在体空间分辨成像

接下来，研究团队选择了重要的炎症生物标志物 IL-6 的 mRNA 作为靶标来验证 E-MBP 在活体动物中的敏感性和组织特异性，通过聚合物纳米载体将 E-MBP 递送到细胞内。使用该方法，研究团队在活体小鼠中，成功实现了对爪子中的急性炎症和肝脏中药物引起炎症的原位检测和早期诊断。

总的来说，这项研究为炎症相关 RNA 高灵敏成像提供了一种新方法，有望应用于炎症相关疾病的早期诊断及治疗过程的实时评价。

国家纳米科学中心博士生盛传归和赵健副研究员为该文章的共同第一作者，国家纳米科学中心李乐乐研究员为通讯作者，北京理工大学黄渊余教授和国家纳米科学中心赵宇亮院士提供了大力支持。

原始出处：

Sheng， C.， Zhao， J.， Di， Z. et al. Spatially resolved in vivo imaging of inflammation-associated mRNA via enzymatic fluorescence amplification in a molecular beacon. Nat. Biomed. Eng (2022). https：//doi.org/10.1038/s41551-022-00932-z.