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內容提要

目前大多數近紅外探針存在信號轉換低、光穩定性差、探針特異性差、功能受限等問題。本文設計合成了一種具有超高吸收性的近紅外croconium克酮酸染料(CDA-3)，該染料可特異地與β-淀粉樣蛋白(Aβ)纖維的疏水通道緊密結合，在800 nm處有強吸收峰，低功率激光照射下可產生明顯的局部溫度波動，從而產生很強的光聲信號。這種染料經過放射性¹⁸F標記后，可以對大腦皮質中的Aβ斑塊進行超靈敏光聲斷層掃描(PAT)/正電子發射斷層掃描(PET)/熒光三模式成像。PAT具有較高的空間分辨率和光學特異性，適合于成像皮質血管的病理部位；PET顯示全身解剖，定量的生物分布信息，因此，本文報道的croconium克酮酸染料通過PAT和PET能夠診斷和定位斑塊。

前言

近紅外(NIR)染料以其高量子產量、良好的生物相容性和快速清除的特性在材料化學、光學成像和相關生物醫學應用中得到了廣泛的關注。近紅外熒光(NIRF)成像由于其操作簡單、成本低、實時監測等優點，被廣泛應用于各種病理生理程序的檢測和臨床前應用。大多數近紅外染料具有極低的疾病靶向性和結合能力，目前還沒有合理或理想的方法來開發一種具有互補成像能力的近紅外染料用于正電子發射斷層掃描(PET)/光聲斷層掃描(PAT)或PAT/ PET/NIR熒光在一個平臺上。大腦淀粉樣血管病(Cerebral amyloid angiopathy, CAA)常見于阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)患者，其特征是β淀粉樣蛋白(amyloid beta, Aβ)沉積于腦軟腦膜動脈、皮層動脈和靜脈壁。考慮到Aβ沉積可以同時或單獨地發生在血管壁和腦實質中，因此制定一個精確的策略來確定體內CAA是至關重要的。作者設計了一個croconium克酮酸染料對β淀粉樣蛋白足夠的滲透率，靶向結合血小板在血管；具有很強的吸收近紅外光譜范圍內并產生一個更強的光聲信號；該染料能夠以較強的結合能與斑塊的疏水性氨基酸強結合，顯著地提高檢測靈敏度，首次在轉基因(Tg)小鼠模型中靶向Aβ斑塊成像的評估。此外，利用¹⁸F標記的croconium克酮酸染料實現了體內的全身PET成像。本文的研究可能為早期檢測腦斑塊提供一種新的工具，并揭示神經血管功能障礙(如血管狹窄和破裂以及相關的癡呆)背后的確切機制。

結果與討論

受芳香環-共軛橋-芳香環平面骨架結構的啟發，作者報道了一系列具有croconium生物相容性染料(圖1a和b)。具有電子給體-p-受體-p-供體結構的CDA具有良好的近紅外吸收性能(CDA-1 604 nm, CDA-2 779 nm, CDA-3 798 nm)。CDA的croconium環是一個穩定的環型中離子化合物，具有一個電子受體核和一個電子供體翅膀，導致了較強的近紅外吸收(圖1c-e)。這兩種噻吩結構也是給體電子給體，通過與疏水通道的結合促進了Aβ的高親和力。如圖1f所示，優化后的CDA化合物構型為梯形，兩個親水端基伸長。對接結果表明CDA-3位于Val18上方，與Lys16平行并傾斜，CDA-3的羧酸離子與賴氨酸的羧基之間形成氫鍵(圖1g)。目前大多數探針與6-碘- 2-(4-二甲氨基)苯咪唑[1,2-a]吡啶(IMPY)共用同一個位點，并嵌入疏水的Val18_Phe20通道。結果表明，CDA化合物嚴格地進入了結合袋。Lys16_Val18_Phe20親疏水雙通道縱向運行至纖維軸。隨著單體數量的增加，隨著纖維伸長，通道長度和潛在結合位點增加。因此，我們認為該結合位點主要負責CDA-3與Aβ_1-40靶向結合。當CDA-3與Aβ_1-40聚集體結合時，熒光強度增加，表明CDA-3與Aβ_1-40聚集體之間存在明顯的相互作用(圖1h)。

圖1 (a和b)基于供體-受體-供體骨架的探針化學結構。(c) croconate染料的共振結構:雙自由基和中離子型。(d)在水相B3LYP/6-31G (d, p)水平上對CDA-3進行幾何優化后的電荷分布。(e) CDA-3的紫外-可見吸收曲線。(f) CDA-3與Aβ_1-40纖維的分子對接結果。(g) CD-3在Aβ原纖維上的構象。(h) CDA-3和CDA-3與Aβ_1-40聚集體相互作用時的熒光強度。

作者評價了croconium染料作為一種新的PA造影劑成像大腦中的Aβ斑塊。將CDA-3的PA性能與吲哚菁綠(ICG)、普魯士藍(PB)和金納米棒(GNRs)等常用探針進行了比較。所有這些染料的吸收峰都落在近紅外窗口(圖2a)。用808 nm激光(1.0 W cm^-2)，CDA-3溶液的溫度從26℃迅速上升到63℃。在NIR激光照射下，溶液的紫外(UV)吸光度沒有明顯的變化。在相同的條件下，GNRs和PB產生的升溫幅度較小(從27到40℃) (Fig. 2 b和2c)。花菁染料(如ICG)有明顯的缺點，如光漂白和熱效應隨時間的增加而損失(圖2c)。相比之下，ICG在CDA中沒有同時出現明顯的吸收光譜變化。CDA作為一種具有優良光熱效應的近紅外有機染料，在800 nm脈沖激光照射下可以有效地產生PA信號(圖2d)。圖2f顯示了CDA對PA信號的依賴性與濃度的關系。此外，我們將CDA與三種具有代表性的探針ICG、PB和GNRs進行了PA性質的比較。在相同濃度下，CDA提供的PA信號強度最高分別是ICG、PB和GNR的1.4倍、1.5倍和4.5倍(圖2e)。利用人神經細胞(SH-SY5Y)進行MTT試驗，研究CDA-3的生物相容性。圖2 h顯示，即使在相對較高的濃度0.5 mg mL^-1, CDA-3的細胞毒性也可以忽略不計。

圖2 (a) ICG、PB、GNR和CDA-3在水溶液中的吸收光譜。(b) 808 nm激光照射下ICG、PB、GNR、CDA-3和水的光熱成像(1 W cm^-2、10分鐘)。(c) (b) (d)不同濃度(1,0.5, 0.25, 0.125, 0.063, 0.031, 0.016, 0.008 mg mL^-1)的CDA-3的PA成像曲線。(e) 808 nm激光照射(1 W cm^-1、10分鐘)。(f) PA信號強度與濃度的函數關系。(g)激光照射前后PA信號強度。(h)不同濃度的CDA-3與人神經元細胞系(SH-SY5Y)的細胞毒性

作者探討了CDA-對腦血管中Aβ斑塊特異性標記。對甲醛固定的WT(野生型)和Tg小鼠的腦切片進行第一次Aβ抗體(6E10)染色，Tg小鼠的腦切片很容易被6E10標記。CDA-3染色的Tg老鼠和AD病人的大腦血管中的Aβ沉積和纖維化與硫磺素染色 (Th-S)非常吻合(圖3 a和d)。WT老鼠的大腦部分沒有被明顯標記。為了進一步檢查血管上CDA-3對陽性Aβ斑塊的影響，作者使用血管平滑肌細胞(VSMC)標記物(phalloidin-Alexa 594)對石蠟包埋的大腦切片進行染色。如圖3b和c所示，Tg小鼠血管中的Aβ沉積被VSMC標記物清楚地標記出來。

圖3體外用CDA-3對(a) Tg小鼠和(d) Cy5.5過濾網的人腦組織切片進行Ab斑塊的熒光染色。(b)用Alexa 594濾鏡對Tg小鼠的血管平滑肌細胞進行phalloidin染色。(c)高倍圖像顯示血管段VSMC層排列嚴重破壞。用Th-S (a-d)標記同一切片上斑塊的存在和分布。(a)、(b)、(d)中的比例尺為100 mM，(d)中的比例尺為50mM。

作為一種近紅外熒光染料，使用不同的腦組織覆蓋層(0, 1, 2, 3 mm)檢測CDA-3的穿透深度(圖4a-c)。隨著腦組織厚度的增加，熒光強度明顯減弱，但在3mm處仍可檢測到，熒光強度的定量分析如圖4d所示。為了檢測CDA-3染料在體內的生物分布，我們進行了NIRF成像，尾靜脈注射0.1 mg mL^-1的CDA-3給阿爾茨海默病(5-FAD)和WT小鼠。從圖4e和圖4f可以看出，5-FAD和WT組。注射后4小時，5 -FAD組腦組織可見最大強度的熒光(圖4g)。然而，在WT組中，CDA-3的生物分布顯示了一個可以忽略的大腦保留，這表明游離染料很快從體內被清除(圖4e)。這些結果表明高熒光信號在5-FAD小鼠可歸因于CDA-3染料和β-淀粉樣斑塊之間的特異性結合能力。

圖4大腦CDA熒光成像檢測穿透深度。(a)白光;(b) CDA-3熒光成像;(c)熒光成像;(e) Tg小鼠和(f) WT小鼠靜脈注射CDA-3 (0.5 mg kg^-1)后不同時間點(0、1、4、8 h)的NIRF圖像。(g)定量Tg和WT小鼠代表性時間點的相對熒光強度。

與熒光成像不同，PA成像可以通過超聲波打破強光學散射，同時保持較高的穿透深度和空間分辨率。由于CDA-3在體外具有良好的PA性能，我們隨后在CAA模型中研究了體內PA成像。圖5顯示了¹⁸F標記的 CDA-3注射后不同時間點小鼠大腦的PA圖像。從PA成像結果可以看出，在注射后1小時，功能化染料在CAA模型中比對照組積累得更好。在給藥4小時后，CDA-3的PA信號在Tg組的腦血管中顯示明顯的增強，提示高Aβ結合(圖5a)。WT組的PA信號幾乎與之前相同(圖5c)。為了進一步突出腦區，我們將不同時間點的PA圖像減去注射藥物前的原始PA圖像，進行差分PA成像。如圖5b所示，通過比較Tg組注射前和注射4h后的PA信號，可見矢狀竇的增強PA圖像對比度顯著。而WT組在不同時間點的PA信號沒有明顯變化(圖5d)。這些結果表明，CDA-3復合物具有強大的能力，可以提高斑塊增強成像對CAA的診斷價值。

圖5 (a) Tg和(c) WT小鼠靜脈注射[18F]CDA-3后不同時間點PA最大振幅投影圖像。(b) Tg和(d) WT組小鼠大腦PA信號增強。(e) Tg和WT小鼠大腦中¹⁸F CDA-3的PA信號強度(左Y軸)和指定時間點PA(Tg)/PA(WT)的值(右Y軸)。

隨著PET技術在臨床中廣泛應用于全身成像，作者探索了基于¹⁸F的PET方法作為一種輔助成像技術。我們通過尾靜脈注射了185 MBq/62.5 mg劑量的 ¹⁸F CDA-3。從圖6a中可以看出， Tg小鼠大腦中¹⁸F CDA-3分布清晰。由于缺乏Ab斑塊，WT小鼠的大腦中很少有特異性結合。由于淀粉樣蛋白特異性示蹤劑， ¹⁸F CDA-3 PET顯示Tg小鼠的腦血管攝取率約為WT組的2倍(圖6b)。由于PET沒有組織穿透限制，在給藥¹⁸F CDA-3后的1小時內，通過全小鼠獲得了0.9 mm厚的連續冠狀切片(圖6c)。然而，發現¹⁸F CDA-3顯著尿化，Tg小鼠的斷層成像顯示¹⁸F CDA-3在腦內的三維分布明顯，而不是WT組的低腦積累。綜上所述，¹⁸F CDA-3是一種用于體內CAA監測和早期診斷的PET探針。

圖6 (a)小鼠的多示蹤PET成像。Tg小鼠被¹⁸FAV-45和[18F]CDA-3 PET/CT排除，表明Aβ在大腦中聚集。¹⁸F FDG PET/CT顯示Tg小鼠代謝低下。而WT小鼠正常，無Aβ沉積。(b) Tg和WT組對¹⁸F CDA-3的腦攝取。(c) Tg和WT小鼠¹⁸F CDA-3的全身PET成像。

結論

本研究探索了croconium克酮酸染料作為PET/PA/NIR熒光三模成像配體對腦斑塊的選擇性親和性。CDA-3具有增強的近紅外吸收、有效的光熱特性、靈敏的PA反應以及全身PET成像等優點，在腦血管淀粉樣蛋白監測方面發揮著重要作用，將為制定有效的CAA等腦血管疾病防治策略提供有力支持，將有助于研究大腦疾病的潛在機制。

參考文獻

Yajing Liu, Yanping Yang, Mingjian Sun, Mengchao Cui, Ying Fu, Yu Lin, Zijing Li*, Liming Nie*, Highly specific noninvasive photoacoustic and positron emission tomography of brain plaque with functionalized croconium dye labeled by a radiotracer, Chem. Sci., 2017, 8, 2710. DOI: 10.1039/c6sc04798j. https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/sc/c6sc04798j

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