碱性环境对于生命活动的维持至关重要，比如泌尿系统中尿液的pH值一般在5.0到8.0之间，消化系统中结肠的pH值一般在7.9到8.5之间，此外，许多消化酶，比如碱性磷酸水解酶在pH值为8.0左右活性最高。碱性组织中的炎症若得不到及时的诊断和治疗可能会造成严重的后果，例如膀胱炎可能会引发肾结石，而肠炎早已被世界卫生组织认定为最难治疗的疾病之一。活性氧（ROS）和活性氮（RNS）是炎症的信号分子，其中过氧化氢（H2O2）和过氧亚硝酸根（ONOO-）是这两类活性物质的主要组成成份。如何在活体中实现碱性环境中ROS和RNS的检测，成为碱性组织炎症诊断的重点。在活体成像与检测的所有方法中，近红外二区（NIR-II）荧光成像具有穿透深度深、光散射弱等优点已被广泛用于活体深组织荧光成像。因此，开发一种碱性和H2O2/ONOO-双重激活的NIR-II荧光探针，将有利于实现膀胱、结肠等泌尿系统和消化系统炎症的无创诊断。
硼酸酯是公认的H2O2和ONOO-特异性响应基团，被广泛用于构建ROS、RNS荧光探针。然而，目前的研究很少关注硼酸酯的反应动力学与pH的关系。大部分基于硼酸酯的荧光探针反应过程都有一个醌甲基自消除释放荧光染料的过程，而醌甲基自消除基团的离去能力与环境的pH值紧密相关，在碱性环境中，醌甲基自消除反应更易发生。基于此，复旦大学张凡教授和雷祖海青年研究员团队开发了一种在pH大于7.4的环境中，对H2O2和ONOO-高度特异性双重响应的NIR-II荧光探针PN910，实现对膀胱炎和肠炎的活体深组织检测（图1）。
图1. 双激活探针PN910设计策略和响应机理。钥匙1：H2O2或ONOO-；钥匙2：碱。
为了合成该探针，张凡教授团队首先合成了一系列含羟基的部花菁NIR-II荧光染料（Chrodol）。此系列荧光染料其羟基烷基化或者处于氧负离子状态时因其较大的供电子能力差异，染料的光学性质具有非常明显的区别，处于烷基化的羟基没有近红外二区荧光发射，当羟基处于氧负状态时，染料具有较强的近红外二区荧光发射，因此，通过调节羟基的分子内电荷转移（ICT）性质即可构建传感探针。经过性质测试，他们选择了系列染料中的Chrodol-3用于探针的构建。将Chrodol-3的羟基与苄基苯硼酸酯相连，得到了可以对碱性和ROS/RNS双重响应的NIR-II分子探针PN910，该探针与底物反应后可以实现近红外二区荧光off-0n的调节。在体外测试中，PN910对H2O2和ONOO-的响应表现出优秀的pH依赖性（图2）。
图2. 不同pH环境下，PN910对H2O2（a）和ONOO-（b）在910 nm处荧光强度随时间的响应曲线。
之后，他们构建了膀胱炎和结肠炎模型，并对小鼠膀胱以及结肠进行荧光成像。成像结果显示，该探针注入小鼠膀胱后，碱性膀胱炎小鼠的荧光明显增强，而无炎症以及正常生理pH的膀胱炎小鼠荧光均没有明显升高（图3）。结肠炎模型也得到了相同的结果。经灌胃后，PN910在炎症小鼠的结肠部位显示明显的荧光，而正常小鼠的结肠部位无明显荧光（图4）。
图3. PN910注入不同时间后膀胱炎小鼠的活体成像图。
图4. PN910注入不同时间后结肠炎小鼠的活体成像图。
综上所述，该工作通过构建对碱性和ROS/RNS双重响应的探针PN910，实现了对碱性环境中炎症的特异性活体深组织检测。此外，Chrodol系列染料在未来也可以作为平台分子，通过不同的功能化修饰，实现多种其他疾病标志物的检测。
论文第一作者为复旦大学博士研究生张欣，通讯作者为张凡教授和雷祖海研究员。该工作得到了复旦大学化学系、复旦大学先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室、上海市分子催化与功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金杰出青年基金和上海市科学技术委员会基础研究项目的大力支持。
ROS/RNS and Base Dual Activatable Merocyanine-Based NIR-II Fluorescent Molecular Probe for in vivoBiosensing
Xin Zhang, Ying Chen, Haisheng He, Shangfeng Wang, Zuhai Lei, Fan Zhang
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202109728
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