赵书林:采用比率荧光成像跟踪体内炎症的过程

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活性氧（ROS）是一类具有强氧化性的生物小分子，在各种生理和病理过程中发挥着重要的作用。超氧阴离子（O2•−）和羟基自由基（•OH）是两种重要的活性氧，常用作疾病诊断的生物标志物。尽管正常细胞中低浓度的O2•−和•OH对生命的维持至关重要，但当其含量过量时，就会导致生物体的氧化应激和氧化损伤，并带来许多病理状况，如炎症、细胞损伤和癌症。另一方面，炎症在病原体入侵、组织修复、应激反应的调节以及各种疾病的发病中都起着关键的作用。追踪炎症发生的过程对于发病机制的研究和制定适宜的治疗方法至关重要，炎症为O2•−和•OH提供了一种微环境，产生更多的O2•−和•OH，同时产生大量的ROS可以诱导炎症加重，最后可能诱发癌症。所以，O2•−和•OH的含量与各种炎性疾病的发展密切相关。实时监测O2•−和•OH的浓度可以原位追踪炎症的过程。因此，发展实时监测O2•−和•OH以及追踪炎症过程的方法是非常有意义的研究工作。

比率荧光成像采集两个通道的荧光信号，并通过两通道信号强度比值的变化来检测物质的浓度。这种方法可以消除基体干扰、校准测量仪器的稳定性，并提高测量的灵敏度和可靠性。用于长时间监测体内O2•−和•OH浓度变化的比率荧光探针至少需要满足三个条件：（1）能同时在两个近红外（NIR）信号通道发射荧光信号；（2）对目标物具有快速响应；（3）具有良好的光稳定性。迄今为止，近红外比率荧光探针屈指可数，这些少数报道的近红外比率荧光探针中大部分是有机合成的荧光小分子，而有机小分子探针的不足之处在于较小的斯托克斯位移和较差的光稳定性。因此，开发近红外具有低细胞毒性和高光稳定性的比率荧光纳米探针用于体内原位实时监测O2•−和•OH的浓度变化仍然是一项挑战性工作。

最近，广西师范大学的赵书林团队发展了一种新的NIR比率荧光纳米探针，可以实现体内O2•−和•OH的比率成像。这种新型的纳米探针是将发射黄色荧光的石墨烯量子点（GQDs）与近红外染料hydroIR783连接而成。HydroIR783可以特异性地传感O2•−和•OH，并转换为NIR荧光IR783分子，此时GQDs和IR783发生共振能量转移（FRET），两通道的荧光强度发生变化。实验证明，GQD-hydroIR783纳米复合物可以作为一种近红外比率成像纳米探针，用于实时监测活体小鼠中O2•−和•OH的浓度变化，并实现原位追踪炎症的过程，其原理如下图所示。

作者使用脂多糖（LPS）诱导炎症发生，探究了GQD-hydroIR783纳米探针是否可用于监测体内O2•−和•OH的浓度变化及原位追踪炎症的过程。在雌性BALB/C-NU小鼠的腹膜内，他们分别注射LPS和GQD-hydroIR783。随着LPS刺激时间的增加，体内O2•−和•OH含量（或炎症）随着时间的增加而逐渐增加。来自IR783的790 nm通道的荧光强度逐渐增加，而来自GQDs的700 nm通道的荧光强度逐渐下降。两个通道（F790/F700）的荧光强度比值随着刺激时间的增加而逐渐增加，且在4 h时达到最大值。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是广西师范大学的博士研究生刘荣军，相关研究工作得到国家自然科学基金、广西自然科学基金项目的资助。

该论文作者为：Rongjun Liu, Liangliang Zhang, Yunyun Chen, Zirong Huang, Yong Huang and Shulin Zhao

Design of a New Near-Infrared Ratiometric Fluorescent Nanoprobe for Real-Time Imaging of Superoxide Anions and Hydroxyl Radicals in Live Cells and in Situ Tracing of the Inflammation Process in Vivo

Anal. Chem., 2018, 90, 4452, DOI: 10.1021/acs.analchem.7b04488