循环缺氧是肿瘤微环境的关键特征，且与多种组织和器官的缺血—再灌注损伤相关，受到人们持续关注。循环缺氧时缺氧诱导因子HIF-1α的活性大大高于慢性缺氧状态，更有利于肿瘤血管生成、转移和耐药。缺氧—复氧循环时线粒体中活性氧物种大量增加，导致心脏病和中风时发生缺血—再灌注损伤。由于循环缺氧持续时间长，相关疾病的病理和临床研究需要适合长时间跟踪活体动物模型中氧气变化的手段，光学成像是一个理想的选择。
长时间持续成像时，有机小分子荧光探针的光毒性小于含金属元素的磷光探针。目前已报导的有机小分子缺氧荧光探针主要是含硝基苯、喹啉、氮—氧化物及芳香族偶氮等响应基团。由于这些缺氧条件下的还原反应绝大多数不可逆，难以实现对循环缺氧动态跟踪检测。
南京大学郭子建/何卫江/陈韵聪团队通过调控取代基的推拉电子效应，改变芳香族偶氮类探针的缺氧还原机理，实现了对循环缺氧的可逆跟踪成像（图1a, b）。作者以偶氮基团桥联近红外荧光团和3,5—二（三氟甲基）苯基，设计出一例近红外荧光探针HDSF。同时合成了含4—（N,N—二甲基氨基）偶氮苯的类似物HDMA。缺氧时HDSF荧光增强，复氧时荧光减弱，且这一增强—减弱过程可多次循环。而HDMA在缺氧时荧光增强，复氧时荧光几乎不变（图1c-f）。质谱跟踪反应发现，缺氧时检测到HDSF（M/Z = 636.50）和苯肼类还原中间产物HDSF-HZ（M/Z = 638.26），复氧后仅检测到HDSF（M/Z = 636.75）。而HDMA体系中，缺氧时检测到氨基还原物HD-NH2（M/Z = 411.67）（图2）。这表明含吸电子取代基的HDSF（荧光微弱）缺氧时还原成苯肼类中间产物HDSF-HZ（恢复荧光），复氧时被氧化回HDSF，由此实现可逆响应循环缺氧。含给电子取代基的HDMA缺氧时还原成氨基物种，N—N键断裂，所以HDMA无法可逆响应循环缺氧。理论计算表明，HDSF中吸电子的三氟甲基稳定了缺氧还原中间产物苯肼，提高了N—N键断裂反应的活化能，因此阻止了该不可逆的还原过程，实现可逆识别循环缺氧。
图1. 循环缺氧时探针的可逆响应机理及荧光发射变化。
图2. 缺氧--复氧循环中HDSF和HDMA的反应。
细胞实验显示，HDSF聚集于MCF-7细胞的线粒体中，共定位系数为0.92。在缺氧-复氧循环下，细胞中出现荧光增强-减弱的循环变化。同时，HDSF可用于实时动态示踪药物诱导的斑马鱼体内缺氧-复氧循环过程（图3）。在小鼠后腿上用扎带捆扎—移除的方法制作活体动物体内缺血-再灌注模型，并用HDSF跟踪过程中氧气含量的变化。捆扎致缺血后20 min内HDSF的荧光信号逐渐增强，扎带移除后再灌注期间荧光信号逐渐减弱，期间对照组荧光信号保持不变。这表明HDSF能跟踪小鼠体内缺血-再灌注期间氧气含量的循环变化（图4）。该研究不仅实现了活体模型动物体内循环缺氧的跟踪成像，更为循环缺氧荧光探针的开发提供了可行策略。
图3. 缺氧—复氧循环下MCF-7细胞和斑马鱼中HDSF荧光的循环变化。
图4. 小鼠后腿缺血—再灌注过程中HDSF对缺氧—复氧过程的成像。
这一工作发表于Nature Communications，第一作者为南京大学张玉明博士（南通大学在职教师），通讯作者为南京大学陈韵聪副教授、郭子建院士、赵庆顺教授和何卫江教授。南京大学叶德举教授、娄鑫副教授，浙江大学彭金荣教授为本工作提出了宝贵意见。
Rational construction of a reversible arylazo-based NIR probe for cycling hypoxia imaging in vivo
Yuming Zhang, Wenxuan Zhao, Yuncong Chen, Hao Yuan, Hongbao Fang, Shankun Yao, Changli Zhang, Hongxia Xu, Nan Li, Zhipeng Liu, Zijian Guo, Qingshun Zhao, Yong Liang & Weijiang He
Nat. Commun., 2021, 12, 2772, DOI: 10.1038/s41467-021-22855-0
郭子建院士，南京大学化学化工学院博士生导师。1989-1994年在意大利帕多瓦大学并获得博士学位。曾在英国伦敦大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学、英国爱丁堡大学从事研究工作，研究方向为抗肿瘤金属配合物的作用机理研究。1999年起担任南京大学教授、博士生导师。主要研究领域为化学生物学，从事金属及其配合物的化学生物学研究。1999年获得国家自然科学基金委杰出青年基金资助，2001年被聘为教育部长江学者奖励计划特聘教授，2002年被评为享受国务院特殊津贴专家，2017年当选中国科学院化学部院士。曾任Chem. Soc. Rev., Inorg. Chem., J. Biol. Inorg. Chem.期刊的编委，目前担任Coord. Chem. Rev., Dalton Trans., J. Inorg. Biochem.等国际期刊的编委/顾问编委，以及《高等学校化学学报》、《无机化学学报》等刊物的副主编、主编。曾获教育部2015年度自然科学一等奖，意大利化学会2016年度Luigi Sacconi奖章，2020年度“亚洲生物无机化学学会杰出成就奖”等奖项。郭子建教授长期从事化学生物学交叉领域研究，在生物无机传感与成像、金属抗肿瘤药物的分子作用机制与靶向输运等方面取得了系统的研究成果。团队依托化学与生物医药创新研究院平台，与国内多个前沿交叉科学课题组有长期密切的交流与合作。
团队目前正在招聘化学生物学、肿瘤免疫方向博士后或副研究员，欢迎相关背景的有志青年人才加入本团队，共同进步！
https://www.x-mol.com/university/faculty/11597
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