急性肝炎无创成像:南京大学叶德举教授课题组提出分子共组装与生物功能分子响应解组装策略开展多模态活体成像分析

2020
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Research科学研究 / Research科学研究
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急性肝炎和抗炎药物的疗效能够通过新影像技术进行快速评估了。

近日,南京大学化学化工学院生命分析化学国家重点实验室叶德举教授课题组构建了肝脏靶向、谷胱甘肽(GSH)响应的三模态分子影像探针,利用分子共组装和响应性解组装过程,产生荧光/19F MRS/1H MRI三种模态信号变化,应用于肝脏中GSH水平的无创、实时监测,进而快速评估脂多糖诱导的急性肝炎和抗炎药物疗效。相关成果以“Responsive Trimodal Probes for In Vivo Imaging of Liver Inflammation by Coassembly and GSH-Driven Disassembly”为题发表在Research上 (Research, 2020, 4087069, DOI: 10.34133/2020/4087069)。

研究背景

急性肝炎的早期诊断和治疗过程监测对其治疗和预后非常重要。临床上针对急性肝炎常用的检测方法包括血液检测、腹部超声或CT成像。然而对相关肝酶(如天冬氨酸氨基转移酶、碱性磷酸酶等)的血液检测无法准确定位肝脏中产生炎症的位置。腹部超声或计算机断层扫描成像往往只能检测到在肝炎后期已经产生显著病理变化的异常肝组织,而且该方法缺乏特异性,无法实现急性肝炎的早期、准确诊断。

生物标志物特异性成像探针,能够对疾病标志物进行准确的成像分析,已成为疾病早期检测的重要工具。虽然人们已经开发出炎症标志物(如活性氧和碱性磷酸酶)特异性响应的分子影像探针用于在活体层面对急性肝炎进行成像分析,然而这些已报道的探针主要基于荧光成像,无法对较深位置的肝脏进行高分辨率的成像分析。因此,急性肝炎的活体成像检测仍有较大挑战。结合不同成像技术,发展肝炎标志物特异性响应的多模态成像探针,对于急性肝炎的早期准确检测具有重要意义。

研究进展

谷胱甘肽(GSH)是肝脏中大量存在的一种生物硫醇,对于维持正常肝细胞的氧化还原平衡具有重要作用。当炎症发生时,其浓度显著下降,因此GSH被认为是急性肝炎的重要标志物。基于此,南京大学叶德举教授团队发展了一种GSH响应的荧光/19F MRS/1H MRI三模态成像探针用于急性肝炎的早期成像检测。作者将带有肝脏靶向基团(β-Gal)的探针(1-Gal)与带有Gd3+造影剂的MRI成像探针(1-Gd)共组装形成均匀的有机纳米颗粒(图1a)。尾静脉注射进入体内后,探针通过肝脏靶向基团快速富集到肝脏细胞中。在正常肝细胞内大量存在的GSH作用下,纳米探针迅速解组装,造成荧光信号“打开”、19F MRS信号增强、1H MRI信号减弱三种成像模态信号变化;而在炎症细胞中,由于GSH水平下调,纳米探针的解组装受到抑制,因此炎症组织中可以维持较高的1H MRI成像对比度,从而实现肝炎组织的高分辨率成像分析(图1b)。

图1  三模态成像纳米探针通过检测GSH水平实现肝脏炎症的活体成像

图2  纳米探针的共组装比例筛选

作者首先对肝脏靶向探针与MRI成像探针的比例进行了优化(图2)。在考察不同比例探针的粒径与细胞摄取能力后,作者筛选出具有较小粒径及较高细胞摄取的纳米探针(靶向/MRI为1/5)进行后续研究。优化共组装比例后的纳米探针在水溶液中能够快速与GSH反应,分子内的二硫键被切断,导致纳米颗粒解聚,同时引起荧光信号增强,19F信号增强与1H MRI信号减弱(图3)。

图3  纳米探针在溶液中与GSH作用后荧光、19F MRS和1H MRI三种成像信号的变化

随后,作者将探针用于细胞内GSH的检测(图4)。探针利用肝靶向基团进入肝细胞后,在肝细胞中GSH的作用下实现荧光信号的打开。而细胞与半乳糖预孵育或用NEM下调细胞内GSH水平后,细胞内的荧光都大幅度减弱,证明探针可以通过ASGPR介导的细胞摄取通路进入HepG2细胞并被细胞中的GSH激活。GSH的下调同时导致细胞19F信号减弱,而1H MRI信号增强。这些结果验证了探针对肝细胞中GSH的成像检测能力。

图4  纳米探针对细胞内GSH水平的三模态成像分析

在细胞层面验证探针可以用于细胞中GSH的成像检测后,作者将探针应用于小鼠急性肝炎的成像检测(图5)。通过尾静脉注射后,探针迅速富集在肝脏中,使得肝部MRI成像对比度显著增强。在正常肝脏中大量GSH的作用下探针解组装并快速代谢,导致肝脏MRI信号快速下降。而无法对GSH响应的对照探针则维持较高的MRI成像对比度。当使用LPS诱导小鼠产生急性肝炎后,肝脏的MRI信号保持较高水平,初步验证了探针对急性肝炎的检测能力。同时肝脏切片的荧光成像和肝脏匀浆的19F图谱也验证了LPS诱导产生肝炎后肝脏中GSH的下调。

图5  纳米探针对LPS诱导产生小鼠急性肝炎的成像检测

最后,作者尝试利用探针对小鼠肝炎的药物治疗过程进行监测(图6)。作者发现小鼠在LPS诱导产生急性肝炎后,肝部MRI成像对比度显著增强;使用地塞米松治疗不同时间后,肝脏的MRI信号逐渐减弱,说明在肝脏恢复过程中GSH浓度逐渐增高,并最终恢复至正常水平。这一结果初步证明探针能够对肝炎的治疗效果进行无创、实时评估。

图6  纳米探针对小鼠急性肝炎的治疗疗效进行监测

未来展望

本研究发展了一种成分可控、肝脏靶向、高生物相容性的有机小分子组装纳米探针,可以对GSH特异性响应,通过荧光、19F-MRS和1H NMR三种成像信号准确检测肝脏中GSH水平的变化,从而实现对肝脏炎症的无创、实时、准确的成像分析。同时,多组分小分子的可调配共组装和响应性解组装策略为其他生物标志物响应型探针的设计提供了参考,为疾病的精确诊断、治疗提供了一种新思路。

作者简介

叶德举教授现任南京大学化学化工学院教授,博士生导师,从事的研究方向主要是面向疾病标志物开展多模态分子影像探针设计、活性检测以及细胞和动物活体成像研究,主持国家自然科学基金优青、面上等多个项目。目前已在Nat. Chem., Nat. Commun., JACS., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev.等国际著名学术期刊发表论文80余篇,申请专利7项,授权4项。

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关键词:
肝炎,无创成像,肝脏

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