Biosens Bioelecteon | 郑乐民/杨清/牛丽亚开发一种新型射血分数保留型心力衰竭活体成像探针

研究表明，射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）患者所占比例已经超过心衰(HF)患者总人数的50%，逐渐成为心衰的主要类型。但是由于HFpEF发病机理的复杂性，导致临床治疗和诊断方法都面临着巨大的挑战。近年来研究发现，由诱导型一氧化氮合酶 (iNOS)激活导致的心肌细胞硝化应激驱动了HFpEF心脏舒张功能障碍的发生。NO作为iNOS的产物以及产生硝基化应激的必要中间物质，因此检测心脏NO水平对于评估HFpEF心脏功能具有重要意义。另一方面，心肌细胞氧化还原稳态失衡与HFpEF的进展密切相关。生物体内的多种抗氧化系统可以防止氧化应激对生物体的伤害并保持生物体内的氧化还原平衡。其中，谷胱甘肽(GSH)作为生物体内含量最为丰富的抗氧化剂，可以非常有效的保护细胞免受氧化应激带来的伤害，因而心脏GSH浓度的变化与HFpEF的氧化应激密切相关。鉴于以上背景，建立一种活体检测心脏NO和GSH的方法，对研究此类疾病的诊断和治疗手段以及进一步探究HFpEF的发病机理有着重大意义。

与传统的成像手段相比，荧光探针具有灵敏度高，特异性强，生物侵害性小，以及能够实现实时检测等优点，已经成为生物体内检测生物小分子的有力工具。目前，大量的荧光探针可以用来分别检测NO和GSH，但是能够实现同时检测NO和GSH的荧光探针仍十分匮乏。北京师范大学杨清正团队在前期工作中发展了两种能够同时检测NO和GSH的荧光探针并应用于炎症过程和心血管疾病治疗。(Anal. Chem. 2019,91, 4301-4306; Anal. Chem. 2021, 93, 3922-3928 )。为进一步探讨NO和GSH 在HFpEF过程中所扮演的角色，北京师范大学杨清正团队与北京大学基础医学院郑乐民团队合作发展了一种可以在HFpEF过程中同时检测NO和GSH的三通道荧光探针，并在Biosensors and Bioelecteonics （IF=13）发表了题为“In vivo imaging of heart failure with preserved ejection fraction by simultaneous monitoring of cardiac nitric oxide and glutathione using a three-channel fluorescent probe”的研究论文。

此工作通过“click”反应将检测GSH的BODIPY荧光团和检测NO的Si罗丹明荧光团进行连接并形成荧光探针1，这一设计成功避免了NO和GSH在探针检测过程中的相互竞争。此外， BODIPY与Si罗丹明的荧光发射峰相距很远，减弱了荧光光谱之间的串色干扰。Si罗丹明的螺环结构既无吸收强度也无荧光，此时探针1本身只有BODIPY荧光团的绿色荧光 (Ch1)。当探针1和GSH反应之后，BODIPY荧光团上的氯原子会和 GSH发生芳香性亲核取代反应，绿色通道的荧光会逐渐减弱并红移至红色通道 (Ch2)。当探针1和NO反应之后，Si罗丹明的螺环被破坏，邻苯二胺基团转化为苯三唑环，形成共轭结构，近红外通道的荧光恢复 (Ch3)。鉴于以上机理，探针1能够成功利用三个不同的荧光通道实现对NO和GSH的同时检测。

研究结果表明，三通道荧光探针1能够在溶液中同时检测NO和GSH，进而可视化心肌细胞和心脏中NO和GSH的浓度变化。体外细胞模型研究发现，在棕榈酸（PA）与L-NAME刺激的心肌细胞 (H9C2 细胞)中，探针1的本体通道 (Ch1)的荧光强度减弱，GSH通道(Ch2)和NO通道 (Ch3)的荧光强度明显增加；组织切片及活体成像结果显示，正常小鼠的绿色通道的荧光强度高于HFpEF小鼠，相反，HFpEF小鼠的GSH通道 和NO通道的荧光强度远大于正常小鼠，进一步证明HFpEF小鼠的心脏部位的NO和GSH的含量高于正常小鼠。

此外，通过利用探针1对NO和GSH所涉及到的信号通路的可视化，研究者发现NO的产生与心肌细胞iNOS的激活密切相关；GSH的升高与细胞自身的抗氧化防御机制Keap1/Nrf2/ARE信号通路的激活导致的GSH合成代谢通路上调有关。

综上所述，该研究发展了一种能够特异性同时检测NO和GSH的三通道荧光探针，从体外细胞、组织以及小鼠活体心脏水平揭示HFpEF心脏的硝化应激和氧化应激的发生及其潜在的分子机制，有助于指导和改善HFpEF的治疗方式。同时，此荧光探针也为病理状态下可视化生物体的硝化应激和氧化应激提供了一种有效的分子成像工具。杨清正团队博士生陈潇潇和郑乐民团队博士后武玉飞为共同一作，北京师范大学化学学院副院长杨清正教授、以及团队成员牛丽亚副教授和北京大学基础医学院心血管所副所长郑乐民研究员为共同通讯作者。

参考消息：https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114510

转自： iNature

如有侵权，请联系本站删除！