东南大学最新ACS Nano：近红外荧光染料作为高灵敏度半胱氨酸纳米探针监测缺血性脑卒中

氨基酸参与人体生理和病理的几个过程，已成为监测探针的主要靶点之一。半胱氨酸（Cys）是一种含硫的非必需氨基酸。作为谷胱甘肽的关键成分，这种氨基酸参与了许多重要的生理功能，如蛋白质合成、代谢和其他过程。它主要分布在器官（肝脏和肾脏）和皮下组织中。此外，它还与许多疾病的发展有关，如脑血管疾病（中风）。在正常大脑中，Cys通常被氧化为各种必需的化合物。在缺血性中风条件下，这些氧化途径可能被破，因此Cys在病变区域的浓度在短时间内显著增加。因此，Cys可能是描述脑卒中损伤程度的良好指标。然而，目前还没有实时检测组织中Cys变化的体内成像方法。此外，在监测Cys的过程中，谷胱甘肽（GSH）和同型半胱氨酸（Hcy）都可能干扰Cys，因为它们具有相似的结构。因此，特异性鉴定Cys仍然具有挑战性。

在本研究中，东南大学杨芳教授和Min Ji等人基于分子内电荷转移（ICT）机制，设计了硫取代的二氰基亚甲基-4H-色烯（DCM）衍生物（S-DCM-OH₍₈₃₅₎）作为近红外荧光染料。基于该化学结构，作者进一步制备了平均直径为17.69nm的荧光S-DCM-NIR_（835）纳米探针作为NIR成像纳米探针。结果表明，该纳米探针通过Michael加成反应实现对半胱氨酸的高特异性鉴定，检测限为0.11μM。更重要的是，在缺血性中风小鼠模型中，S-DCM-NIR_（835）纳米探针可以监测由于缺血性中风条件下Cys代谢的破坏而导致的中风病变处Cys浓度的变化。因此，S-DCM-NIR_（835）纳米探针不仅可以利用反应时间来区分缺血性中风的严重程度，而且可以在体内实时量化Cys的浓度。相关工作以“A Near-Infrared Fluorescent Dye with Tunable Emission Wavelength and Stokes Shift as a High-Sensitivity Cysteine Nanoprobe for Monitoring Ischemic Stroke”为题发表在ACS Nano。

【文章要点】

在这项工作中，苯酚被用作电子供体，其骨架被扩增以获得具有更强电子供体能力的黄嘌呤基团。进一步地，作者将该电子供体引入具有硫取代的骨架作为电子受体的结构中，从而合成了S-DCM-OH和S-DCM-OH₍₈₃₅₎。S-DCM-OH₍₈₃₅₎作为近红外荧光染料，具有长波长发射（超过800nm）和大的斯托克斯位移（超过220nm）。基于这种染料，设计并合成了一种用于特异性检测Cys的近红外荧光探针S-DCM-NIR_（835）。在该探针中，丙烯酸酯基团被用作探针的识别位点，利用Michael加成反应可与Cys相互作用，进而生成相应的硫醚。随后，通过分子内环化和裂解等过程产生内酰胺副产物和近红外荧光染料。与商用ICG相比，超过220nm不仅在发射波长上同步，而且在斯托克斯位移方面也远优于商用ICG。这些优点使得基于该染料的S-DCM-NIR_（835）的设计具有潜在的生物应用价值（图1）。

图1 S-DCM-OH₍₈₃₅₎

考虑到有机小分子探针在水溶液中溶解性差、易沉淀，存在一定的尾静脉注射风险。为了更好地进行体内成像，作者将S-DCM-NIR_（835）与mPEG2000 DSPE自组装，构建水溶性纳米探针（S-DCM-NIR_（835）NP）。考虑到缺血性脑卒中过程中Cys的浓度变化，作者设计了不同损伤程度的脑卒中模型。S-DCM-NIR_（835）NP可实时监测中风病变，并且由于不同程度的动物模型引起的Cys浓度不同，在不同的缺血性卒中模型中获得了来自S-DCM-NIR_（835）NP的不同荧光信号（图2）。因此，S-DCM-NIR_（835）NP有望成为一种实时准确监测体内Cys的方法。

图2 S-DCM-NIR_（835）NP及其体内成像监测

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c04211