新型Turn-On化学发光探针及其在阿尔茨海默症中的应用

来源：X一MOL资讯

光学成像是一种价廉高效的成像方法，并已经广泛应用于临床和临床前多领域的研究中。在基于分子探针的分子影像中，荧光成像是目前使用最广泛的技术，但它存在着一些非常难以克服的应用缺陷。低信燥比（SNR）是其中最重要的弱点之一。在很多的情况下，低信燥比是由于激发光造成的。在荧光成像的过程中，激发光可能带来如下问题：1）自发荧光的产生；2）激发光（通常比发射波段）难以达到深的组织部位；3）在成像的过程中，激发光的光子通量往往是探针发射出的光子通量的一万倍（甚至十万倍，或者更高）。在这种情况下，成像系统中光滤镜的缺陷将带来严重激发光泄漏，从而造成高的背景信号而导致低的信燥比；4）此外，通常分子探针往往会或多或少地存在于体表的皮肤中。在成像的过程中，这些非特异性存在的探针将被激发。由于这些探针处于浅表位置，它们不但会被高效地激发，而且发射出的光可以非常有效地穿透出来，从而被检测器接收。这样一来就会导致非常高的非特异信号，从而大大地降低信燥比。这些都是往往被忽视但非常严重的问题。为了克服激发光带来的问题，化学发光成像是解决问题的办法之一。但是绝大部分化学发光是依赖于氧自由基 （ROS/RNS）反应，从而大大地限制其使用范围。为了解决这一难题，哈佛大学麻省总医院Chongzhao Ran（冉崇昭）课题组设计了ADLumin-X，研究结果表明ADLumin-1 的发光主要依赖于氧气，而不依赖于ROS/RNS 反应。这种新型的化学发光探针可以大大地拓宽化学发光成像的应用范围。该课题组成功地将这种新型的化学发光探针应用到了阿尔茨海默症（Alzheimer’s Disease, AD）的疾病模型中。

阿尔茨海默症是一种发病进程缓慢、随着时间不断恶化的神经退行性疾病，目前已成为严重影响全球人口健康和生活质量的重大公共健康问题。很遗憾的是，目前尚没有可以治愈此类疾病的药物，因此开发能够早期诊断阿尔茨海默症的方法显得尤为必要。大部分AD患者的治病原因仍然不明，目前有几个不同的假说尝试解释AD的病因，最具代表性的就是β淀粉样蛋白（Amyloid beta, Aβ）假说和Tau蛋白假说。其中Aβ假说认为Aβ在大脑内的沉积是导致AD的主要原因。因此很多针对AD的早期诊断围绕着Aβ开展起来。FDA已经批准了3个靶向Aβ的PET示踪剂在临床上辅助AD的诊断。而光学成像主要应用于临床前试验中对小动物的AD的诊断，为发病机制的研究以及药物的筛选提供理论基础及有利工具。

哈佛大学麻省总医院Chongzhao Ran （冉崇昭）课题组一直致力于早期诊断AD的分子探针的开发，已经报道了多种针对Aβ的荧光探针CRANAD-X（J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 15257; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 16397; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112, 9734; Chem. Sci., 2017, 8, 7710; Chem. Sci., 2020, 11, 5238）。近日，该团队为突破荧光探针信噪比较低的局限性，首次报道了一类针对Aβ的化学发光探针，并且创造性的提出利用Aβ作为结合媒介，通过化学发光共振能量转移，成功地在近红外区高信噪比的成像小鼠大脑以及眼睛中的Aβ。图1. 监测Aβ的具有双重信号放大效应的化学发光探针。图片来源：Nat. Commun.

首先作者对探针ADLumine-1的光学特性进行了表征，发现其在溶液中的发射波长约为540 nm，在与Aβ结合后，化学发光强度增加了216倍。并且在脑匀浆中也发现了光强度增强的现象，说明ADLumine-1可以用于生物样本中Aβ的检测。接着利用双光子成像实验证实ADLumin-1能够穿过血脑屏障，染色AD鼠大脑内以及病变血管上的Aβ斑块。体内成像实验表明AD鼠大脑的信号是野生型鼠的1.8倍，而眼睛里的信号也有1.6倍，这说明该探针可以监测大脑以及眼睛中的Aβ。

图2. 探针与Aβ结合的表征。图片来源：Nat. Commun.

尽管ADLumine-1有一定的组织穿透率，但由于ADLumine-1的发射波长较短，该团队利用ADLumine-1与之前报道的荧光探针CRANAD-3（Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112, 9734）对Aβ的结合作用，通过化学发光共振能量转移（chemiluminescence resonance energy transfer, CRET）成功将发射波长延长至近红外区，并且伴随双重信号放大，发光强度增加了133倍。在体内实验中，作者将ADLumin-1与CRANAD-3的混合溶液尾静脉注射到老鼠体内后，AD鼠大脑的信号是野生鼠的2.04倍，光谱拆分后，信号增大到了3.22倍。

图3. 化学发光共振能量转移示意图及光谱验证。图片来源：Nat. Commun.

图4.体内动物成像。图片来源：Nat. Commun.

在这项研究中，作者报道了目前第一个针对Aβ的化学发光探针，它在体内外均可以与Aβ结合而发光，并且首次利用Aβ来做媒介实现了共振能量转移，在近红外区高信噪比的成像大脑中以及眼睛中的Aβ。考虑该方法不需要外加激发光源，并且有很好的组织透光率，将来可以在大型动物比如狨猴的脑研究中做研究，并且该方法为后续相关化学发光探针的开发提供了理论基础。

论文的第一作者是麻省总医院博士后杨静和尹伟，冉崇昭教授为通讯作者。