南林刘志鹏教授/南大郭子建院士、何卫江教授、陈韵聪副教授JACS: 小分子光声探针用于活体小鼠脑部一氧化氮高分辨成像

一氧化氮（NO）作为一种重要的信号转导分子，其稳态失衡与多种神经退行性疾病的发生发展密切相关。因此，开发具有脑部NO成像能力的分子探针对于理解信号通路和脑功能机制具有重要意义。

脑部NO的实时动态成像需要探针具有通过血脑屏障（BBB）的能力，同时满足深层组织穿透及分辨率高的要求。然而，现有的NO荧光探针受限于组织穿透深度较浅，难以满足脑部NO高时空分辨成像的要求。光声（PA）成像技术作为一种新兴的非侵入性和非放射性成像方式，虽然具有高灵敏度、高空间分辨率和深层组织穿透能力等优势，能够用于活体深层组织成像，然而受限于BBB通过性差、比例型响应难等问题，具有脑部高时空分辨成像能力的小分子NO光声探针的开发仍然面临巨大挑战。

针对这一现状，南京林业大学刘志鹏教授团队与南京大学郭子建教授/何卫江教授/陈韵聪副教授合作，报道了一种具有高效BBB通过能力的光声探针PANO2（图1），并通过结合比例型三维（3D）光声成像，实现了在活体帕金森病（PD）模型鼠脑部NO的微米级分辨率成像。此外，探针PANO2还被证明可以用于解析PD模型鼠脑部不同深度截面（0-8 mm）的NO分布信息。相关研究以“Blood−Brain Barrier Permeable Photoacoustic Probe for High-Resolution Imaging of Nitric Oxide in the Living Mouse Brain”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》杂志上。

图1 探针的分子结构与体内光声成像示意图 

具有推拉电子结构的氟硼吡咯（BODIPY）不仅具有BBB通过潜力而且具有优异的PA发射能力。在BODIPY的meso位引入-CF3基团有利于分子的BBB通透性。作者通过对其进行NO响应基团及取代基修饰，调控其BBB通过能力和比例响应行为，获得了具有BBB通过能力的比例型探针分子PANO2。探针PANO2能够选择性响应NO，与NO响应后最大吸收波长发生明显蓝移，由785 nm蓝移至705 nm。探针比例型响应的特点能够避免生物体内源性分子（如红蛋白、水等）产生的背景信号干扰，实现NO的精准示踪。

图2 探针PANO2的光物理性质

作者利用野生型（WT）小鼠和PD小鼠模型的光声成像实验首先证明了PANO2优异的BBB通过能力。其次，结合双通道比例型3D-PA成像，证明了NO在帕金森病发生发展中起重要作用。通过对其脑部PA成像图片分析，作者发现探针在与NO响应前后均可实现微米级分辨率成像，这些结果表明探针PANO2具有优异的脑部成像性能。

图3 探针PANO2在野生型和帕金森病模型小鼠脑部的比例型3D光声成像

作者通过对PD模型鼠脑部PA成像后处理，提供了更为清晰的大脑断层成像：深度为0-8 mm。实验结果表明，随着深度的增加，NO在大脑的不同区域分布有明显变化，其中，大脑皮层、海马体和背侧第三脑室的NO含量相对较高。

作者还结合免疫荧光染色和共定位成像等手段进一步证明了探针PANO2在帕金森病模型鼠脑部对NO的光声成像的能力。

图4 帕金森病模鼠脑部的光声断层成像及免疫荧光染色图片

最后，作者还以探针PANO2作为成像试剂初步研究了天然多酚类化合物在PD小鼠大脑中的治疗效果。研究结果表明，白藜芦醇、愈创木酚与帕金森病治疗药物L-多巴均可以缓解小鼠大脑中的NO富集，证明该探针在筛选治疗剂方面的潜力。

图5 探针在天然多酚类化合物存在下的小鼠脑部光声成像 

以上研究初步证明了探针在小鼠脑部具有高分辨示踪NO的能力，有望为脑部疾病的分子机制及诊疗研究提供支持。

南京大学-南京林业大学联合培养博士生姜志勇为第一作者。南京林业大学刘志鹏教授、南京大学何卫江教授、陈韵聪副教授为通讯作者。该研究工作得到了南京大学郭子建院士的悉心指导，以及南京晓庄学院张长丽教授和TomoWave Laboratories王晶工程师在生物实验方面的帮助。同时，该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及南京大学优秀科研项目等项目的资助。在此表示感谢！

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c13315