小鼠肿瘤内过氧亚硝酸根离子（ONOO-）的双光子近红外活体成像检测

目前，恶性肿瘤仍然是最致命的疾病之一，每年在全世界造成数百万人死亡。恶性肿瘤的无限制增殖和容易转移等特征导致目前化疗、放疗和手术等肿瘤治疗方法的治愈率较低，造成了较高发病率和死亡率。过氧亚硝酸根离子（ONOO^-）是一种重要的活性氮/活性氧物种，具有较高氧化和硝化能力。因此，容易与生物硫醇、蛋白质、脂质和DNA等多种生物分子发生反应，导致细胞死亡和器官损伤。研究结果表明，过氧亚硝酸根离子在生物过程中发挥着多种重要的作用，如调节线粒体功能，诱导细胞凋亡和坏死，调节一系列与疾病有关的重要信号转导过程。最新研究还表明，ONOO^-含量在肿瘤发展过程中显著增加，与肿瘤内氧化应激水平紧密相关。因此，研究肿瘤过程中ONOO^-的变化水平有助于促进人们对肿瘤认识及其诊断，治疗研究。

近日，湖北大学化学化工学院青年教师毛志强副教授等人设计合成了一种可激活的双光子近红外荧光探针DHQ-Rd-PN用于实体肿瘤内ONOO^-的活体成像研究。该探针采用了二氨基取代Rhodol荧光团作为新型近红外发射双光子荧光团（λ_ex = 820 nm, λ_em= 653 nm），以优化的靛红衍生基团作为ONOO^-的特异性识别域，经过简便地合成得到探针。该探针与ONOO^-反应迅速，在溶液中可对ONOO^-进行灵敏和高选择性地检测，检测限为72 nM。同时，该探针对ONOO^-具有优异的选择性，其它活性氧/活性氮不干扰；在pH=3-10条件下仍然表现出稳定的荧光响应性能。这些特征使该探针在复杂肿瘤环境中检测ONOO^-具有显著的优势。

图1. 探针DHQ-Rd-PN的化学结构及对ONOO^-的响应机理。图片来源：Anal. Chem.

该探针不仅在溶液中表现出优良的ONOO^-近红外检测性质，也可以用于活细胞内内源性和外源性的ONOO^-的双光子近红外成像检测（双光子激发波长为820 nm）。

图2. 细胞内ONOO^-的双光子成像。图片来源：Anal. Chem.

近年来，双光子成像已经广泛应用于细胞和组织切片成像，但是大多数双光子探针发射位于在紫外可见光区，无法有效地用于近红外活体（650-900 nm）成像（Anal. Chem., 2017, 89, 9620-9624）。同时，由于受制于双光子共聚焦成像的原理，小鼠肿瘤双光子活体成像鲜有报道。基于此，研究者尝试利用该探针来实现对实体肿瘤中ONOO^-的近红外活体成像检测。研究者首先利用小动物活体成像系统对不同生长天数（0、2、6、8天）的肿瘤进行单光子近红外活体成像。研究结果表明，ONOO^-的浓度随着肿瘤的生长和发展不断增加。紧接着，研究者利用双光子共聚焦显微镜对小鼠肿瘤进行双光子近红外活体成像，可直接观察到小鼠皮下肿瘤组织的双光子荧光随着肿瘤的生长逐渐增强。比较两种活体成像模式，研究者发现单光子近红外活体成像可以实现对小鼠整体大视野的成像，但分辨率不高；利用双光子共聚焦成像可以对肿瘤局部活体成像具有较高的分辨率（细胞水平）。通过比较，研究者发现通过双光子近红外成像可以在肿瘤发展的较早时期（肿瘤生长第二天）观察到较明显的荧光增强（11.5倍vs. 1.5倍荧光增强）。这些实验结果表明，通过单光子近红外活体成像和双光子近红外活体成像结合可有效的对肿瘤整体和局部中ONOO^-进行有效和灵敏的检测，为肿瘤内活性氧/活性氮的活体成像研究提供了一种新的研究思路。

图3 肿瘤小鼠瘤内ONOO^-的活体成像。图片来源：Anal. Chem.

这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是湖北大学化学化工学院的2018级硕士研究生王薇薇和熊建华，通讯作者是湖北大学化学化工学院青年教师毛志强副教授，该项目得到国家自然科学基金和湖北省自然科学基金的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Activatable Two-Photon Near-Infrared Fluorescent Probe Tailored toward Peroxynitrite In Vivo Imaging in Tumors

Weiwei Wang, Jianhua Xiong, Xinjian Song, Zhao Wang, Fan Zhang, Zhiqiang Mao*

Anal. Chem., 2020, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c02587