通過NIR-II熒光成像技術(shù)快速發(fā)現(xiàn)藥物引起的多器官功能障礙

本文要點(diǎn)：在藥物使用中，對(duì)多器官功能障礙進(jìn)行精確且快速的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。本文開發(fā)了一種多通道近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光生物成像方法，該方法能夠?qū)崟r(shí)、快速且定量地評(píng)估多器官功能障礙。同時(shí)，合成了一系列具有不同吸收和發(fā)射波長的NIR-II半花菁染料（HDs），通過修飾這些染料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肝臟、腎臟、胃和腸道的高空間和時(shí)間分辨率成像。該方法進(jìn)一步應(yīng)用于研究由順鉑（一種已知會(huì)導(dǎo)致胃排空問題以及肝腎損傷的藥物）引起的疾病。通過監(jiān)測(cè)這些器官中染料的代謝速率，準(zhǔn)確量化了多器官功能障礙，并得到了金標(biāo)準(zhǔn)病理分析的證實(shí)。此外，本文還評(píng)估了五種馬兜鈴酸（AAs）對(duì)多器官功能障礙的影響，首次發(fā)現(xiàn)AA-I和AA-II可引起胃排空障礙，這一發(fā)現(xiàn)通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。本文的研究引入了一種同時(shí)監(jiān)測(cè)多器官功能障礙的新方法，有望加快藥物副作用的評(píng)估。

 

 

---

 

在本研究中，通過擴(kuò)展共軛體系、替換雜原子以及修飾各種取代模式，創(chuàng)建了一系列發(fā)射波長在674至1145納米之間的光譜可調(diào)諧的高分子量（HD）庫。研究者還運(yùn)用合理的分子工程，將HD3熒光團(tuán)片段與腎臟清除率增強(qiáng)功能片段（單-(6-(1,6-己二胺)-6-脫氧)-β-環(huán)糊精）融合，制得HD3-CD，該物質(zhì)同時(shí)具有肝臟和腎臟清除特性。因此研究者能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、無創(chuàng)的近紅外二區(qū)（NIR-II）成像，以評(píng)估順鉑誘導(dǎo)的肝臟和腎臟功能障礙（圖1A）。此外，分別研究了發(fā)射波長超過1100納米的耐酸HD6和HD14，以評(píng)估順鉑對(duì)胃和腸道的損傷（圖1B）。基于此，進(jìn)一步建立了一個(gè)多通道生物成像平臺(tái)，利用HD6、HD3-CD和HD14在660、808和915納米激光下的優(yōu)異光譜區(qū)分能力，對(duì)肝臟、腎臟、胃和腸道進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖1C）。這種多色成像技術(shù)首次被用于鑒定由馬兜鈴酸I（AA-I）和馬兜鈴酸II（AA-II）引起的潛在胃排空障礙，并通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)（圖1D）。

 

圖1. 用于監(jiān)測(cè)藥物誘導(dǎo)的多器官功能障礙的多路近紅外二區(qū)（NIR-II）成像平臺(tái)設(shè)計(jì)

 

增強(qiáng)共軛是使發(fā)射波長紅移的有效方法�；�于HD的經(jīng)典D-π-A結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了三種轉(zhuǎn)換策略。首先，擴(kuò)展末端部分的共軛體系引入了呋喃苯并[cd]吲哚，它將發(fā)射驅(qū)動(dòng)到NIR-II窗口。其次，將雜原子（X）從氧（O）替換為硫（S）、硒（Se）和硅（Si）預(yù)計(jì)會(huì)實(shí)現(xiàn)更大的紅移。最后，改變末端雜環(huán)中的取代模式（如羥基和乙二胺）可以進(jìn)行微調(diào)，從而為NIR-II多路成像定制合適的熒光團(tuán)。這一策略導(dǎo)致了14種光譜上不同且兼容的熒光團(tuán)的開發(fā)（圖2A）。所有HDs都可以通過兩條穩(wěn)健的路線合成：（i）將黃原烯骨架的衍生物與各種吲哚化合物結(jié)合，產(chǎn)生HD1-10和HD13-14。（ii）菁ET-1080與3-羥基苯硫酚或物種3縮合形成HD11-12。HD的詳細(xì)合成和表征見支持信息。所有染料的純度均大于95%。

 

圖2. HD的物理和化學(xué)性質(zhì)

 

在甲醇中研究了HDs的光物理性質(zhì)，結(jié)果總結(jié)于圖2A和支持信息圖S1中。HDs的光譜覆蓋了近紅外一區(qū)（NIR-I）和二區(qū)（NIR-II）窗口，其最大吸收波長（λmaxabs）范圍為659至988 nm，最大發(fā)射波長（λmaxem）范圍為674至1145 nm，展現(xiàn)出良好的成像前景（圖2B‒G）。與HD1（676 nm）相比，HD2（780 nm）、HD3（850 nm）、HD4（840 nm）和HD5（830 nm）的λmaxem分別紅移了104、174、164和154 nm，表明擴(kuò)展共軛結(jié)構(gòu)是提升成像性能的有效方法。雜原子（O、S、Se、Si）的替換導(dǎo)致λmaxem從HD3（850 nm）到HD11（855 nm）、HD12（880 nm）和HD13（944 nm）分別紅移了5、30和94 nm，表明硅取代（HD13）比硒、硫和氧更能有效促進(jìn)光譜紅移。然而，苯環(huán)上間位和對(duì)位羥基取代對(duì)λmaxem的影響較小。此外，基于前期經(jīng)驗(yàn)，在HD14結(jié)構(gòu)中同時(shí)引入呋喃-苯并[cd]吲哚和乙二胺部分，使其λmaxem紅移至1145 nm，這是HD家族中異常長的發(fā)射波長。值得注意的是，HD13（235 nm）和HD14（157 nm）中硅原子取代產(chǎn)生了顯著的斯托克斯位移，可有效減少激發(fā)光的干擾。

研究者提出了HDs的結(jié)構(gòu)-光學(xué)性質(zhì)關(guān)系（圖2H和I）。通常，調(diào)整HOMO-LUMO能隙（ΔE）是修飾熒光團(tuán)發(fā)射波長最直接的方法。擴(kuò)展共軛π結(jié)構(gòu)可顯著減小HOMO-LUMO能隙并使發(fā)射光譜紅移。例如，當(dāng)供體從吲哚變?yōu)楸讲�[cd]吲哚再到呋喃-苯并[cd]吲哚時(shí)，發(fā)射波長從676 nm（HD1）移至850 nm（HD3）。此外，雜原子替換也是一種實(shí)用的分子工程策略，可使發(fā)射波長紅移。一般而言，將橋接氧替換為給電子能力較弱的原子（如S、Se、Si），可通過雜原子σ軌道與熒光團(tuán)π軌道之間的σ*-π*共軛穩(wěn)定LUMO能級(jí)，從而使染料發(fā)射紅移至深紅或近紅外區(qū)域。對(duì)于D-π-A型熒光團(tuán)，增加給電子基團(tuán)的電子密度通�？稍鰪�(qiáng)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）效應(yīng)，從而減小HOMO-LUMO能隙。二乙氨基取代基的給電子能力強(qiáng)于間位或?qū)ξ涣u基。綜合上述方法，為開發(fā)長波長熒光團(tuán)提供了可行路徑。結(jié)合擴(kuò)大共軛π結(jié)構(gòu)與雜原子或末端基團(tuán)給電子能力的效應(yīng)，可進(jìn)一步將HDs的λmaxem從676 nm（HD1）提升至1145 nm（HD14）的NIR-II區(qū)域。

圖3. 實(shí)時(shí)體內(nèi)NIR-II成像

 

肝臟和腎臟功能障礙是藥物的常見副作用。監(jiān)測(cè)這些功能障礙對(duì)于防止腎毒性或肝毒性藥物上市至關(guān)重要。綜合考慮成像能力與結(jié)構(gòu)可修飾性后，選擇以HD3為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，通過引入羧基獲得HD3-CAR，最終與腎清除增強(qiáng)組分（單-(6-(1,6-己二胺)-6-脫氧)-β-環(huán)糊精，HeβCD）耦聯(lián)制備HD3-CD。HD3-CD在水中最大吸收波長（λmaxabs）為704 nm，最大發(fā)射波長（λmaxem）為939 nm；在甲醇中λmaxabs為803 nm，λmaxem為940 nm。研究者評(píng)估了HD3-CD在肝腎功能障礙監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。以具有顯著腎毒性的化療藥物順鉑（20 mg/kg，72小時(shí)）為模型，通過NIR-II窗口動(dòng)態(tài)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：順鉑處理組小鼠腎臟在HD3-CD注射后1小時(shí)和9小時(shí)的信號(hào)衰減速率（0.07±0.06和0.47±0.04）顯著慢于生理鹽水對(duì)照組（0.31±0.09和0.63±0.05）（圖3B）；肝臟信號(hào)在5小時(shí)和9小時(shí)的清除速率（0.11±0.2和0.24±0.05）也低于對(duì)照組（0.24±0.04和0.39±0.04）（圖3C），這與病理切片（圖S7A-B）及血液生化指標(biāo)（圖3D-E）結(jié)果一致，證實(shí)HD3-CD可通過NIR-II成像無創(chuàng)監(jiān)測(cè)順鉑引發(fā)的肝腎功能障礙。

順鉑還常引發(fā)胃腸道副作用，其強(qiáng)烈的胃腸毒性會(huì)降低患者的治療積極性。研究者嘗試建立比鋇餐和內(nèi)窺鏡等主流技術(shù)更安全便捷的近紅外二區(qū)（NIR-II）胃腸成像監(jiān)測(cè)模式。HD6、HD7和HD8在酸性條件下能保持穩(wěn)定的吸收強(qiáng)度。值得注意的是，HD6與HD3-CD的光譜間隔良好，為多重成像提供了基礎(chǔ)。

利用HD6監(jiān)測(cè)順鉑化療導(dǎo)致的胃排空障礙。禁食8小時(shí)的小鼠口服HD6后，給予順鉑（20 mg/kg，72小時(shí)），通過660 nm激光激發(fā)進(jìn)行NIR-II活體成像。如圖3F所示，生理鹽水對(duì)照組胃部信號(hào)隨時(shí)間逐漸減弱，腸道信號(hào)同步增強(qiáng)；而順鉑治療組始終維持較強(qiáng)的胃部熒光信號(hào)，腸道信號(hào)微弱。定量分析顯示，HD6給藥后3小時(shí)和9小時(shí)，順鉑組的胃熒光強(qiáng)度分別是對(duì)照組的9.2倍和25.2倍（圖3G）。此外，順鉑處理導(dǎo)致胃內(nèi)食物顯著滯留，給藥0.1小時(shí)時(shí)胃熒光面積達(dá)對(duì)照組的11.8倍（圖3H）。離體胃組織及病理切片進(jìn)一步驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)（圖3I‒K）。綜上，HD6可通過NIR-II成像無創(chuàng)、高效地監(jiān)測(cè)胃排空功能障礙。

圖4. NIR-II多重成像

 

得益于HD6、HD3-CD和HD14的光譜間隔特性，基于近紅外二區(qū)（NIR-II）的多器官損傷多重監(jiān)測(cè)成像成為可能。這三種探針的吸收波段間隔近200 nm（圖4A），可分別通過660 nm、808 nm和915 nm激光正交激發(fā)且串?dāng)_極低——離心管中有機(jī)/水溶液的成像實(shí)驗(yàn)顯示：660 nm激發(fā)時(shí)，有機(jī)相與水相的熒光強(qiáng)度比分別為82.0/9.8/8.2和76.4/9.4/14.2（HD6主導(dǎo)）；808 nm激發(fā)時(shí)為1.5/80.5/18和2.2/66.8/31.0（HD3-CD主導(dǎo)）；915 nm激發(fā)時(shí)為9.2/11.9/78.9和1.7/23.6/74.7（HD14主導(dǎo)）（圖4B）。

基于此，對(duì)順鉑/PBS處理小鼠進(jìn)行雙通道成像：靜脈注射HD3-CD（808 nm激發(fā)，通道2）后口服HD6（660 nm激發(fā)，通道1），實(shí)現(xiàn)了胃腸、肝臟與腎臟的長期高對(duì)比度監(jiān)測(cè)（圖4C）。給藥0.3小時(shí)時(shí)，PBS組與順鉑組的腹側(cè)觀胃/肝臟信噪比（SNR）分辨率達(dá)2.7和10.7，背側(cè)觀胃/腎臟分辨率達(dá)3.0和21.8（支持信息圖S16A），其代謝特征與既往研究高度一致，證明該技術(shù)可創(chuàng)新性評(píng)估多器官損傷。

進(jìn)一步拓展的三通道成像技術(shù)中，尾靜脈注射HD3-CD、灌胃HD6后腹腔注射HD14，915 nm通道（通道3）專屬性顯示HD14標(biāo)記的腸道結(jié)構(gòu)（圖4D）。對(duì)照組與順鉑組的肝/腸SNR分辨率分別為11.1和14.0，胃/腸分辨率達(dá)4.6和4.2。相比雙通道成像，三通道技術(shù)能提供更全面的器官信息并規(guī)避病灶導(dǎo)致的成像缺失，但因腸道蠕動(dòng)和HD14的漸進(jìn)吸收，其長期監(jiān)測(cè)能力稍遜。綜上，本文建立了可定制的多通道成像技術(shù)體系，為探索藥物多器官毒性及加速新藥研發(fā)提供了新工具。

 

圖5. AAs誘導(dǎo)多器官損傷的實(shí)時(shí)NIR-II成像和分析

 

馬兜鈴酸（AAs）是存在于馬兜鈴科植物中的毒性化合物，已知可誘發(fā)馬兜鈴酸腎病。通過雙通道成像技術(shù)，研究者期望為發(fā)現(xiàn)AAs更多潛在毒性提供有效證據(jù)。實(shí)驗(yàn)小鼠分別口服代表性AAs（20 mg/kg，包括AA-I、AA-II、AA-IIIa、AA-IVa和AL-I）及PBS對(duì)照組，治療6天后尾靜脈注射HD3-CD并灌胃HD6（圖5A-B），利用近紅外成像監(jiān)測(cè)腎臟、肝臟和胃部信號(hào)（圖5C）。結(jié)果顯示：HD3-CD注射1小時(shí)后，各處理組小鼠腎臟信號(hào)衰減值分別為AA-I（0.03±0.04）、AA-II（0.07±0.04）、AA-IIIa（0.35±0.07）、AA-IVa（0.26±0.09）、AL-I（0.30±0.10）和PBS組（0.31±0.08），其中AA-I和AA-II組的腎清除效率顯著低于其他組（圖5D）；注射5小時(shí)后，AA-I和AA-II組的肝臟信號(hào)衰減值（0.12±0.07和0.18±0.07）顯著低于對(duì)照組（0.28±0.05）及其他處理組（圖5E）；胃部熒光信號(hào)在AA-I和AA-II組持續(xù)偏高，3小時(shí)時(shí)強(qiáng)度分別達(dá)對(duì)照組的9.3倍和9.7倍（圖5F）。圖5G綜合對(duì)比顯示，AA-I和AA-II組的探針清除效率在肝（5小時(shí)）、腎（1小時(shí)）、胃（3小時(shí)）三個(gè)器官均低于AA-IIIa、AL-I和PBS組，表明AA-I和AA-II對(duì)肝臟、腎臟及胃功能均有顯著損害。血液生化指標(biāo)（圖5H）與病理切片進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)果與探針清除效率變化趨勢(shì)一致。本研究首次通過雙色成像技術(shù)揭示了AA-I和AA-II可能引發(fā)的胃排空障礙。

 

圖6. AA-I/II誘導(dǎo)的肝、腎和胃損傷的蛋白質(zhì)印跡和轉(zhuǎn)錄組分析

 

之后，本文通過Western blot分析了AA-I和AA-II處理組小鼠肝腎組織中炎癥相關(guān)蛋白（NF-κB、NLPR3）、纖維化相關(guān)蛋白（TGF-β、SMAD3）及凋亡標(biāo)志物（BAX）的表達(dá)水平。腎臟中，與對(duì)照組相比，AA-I組的BAX、TGF-β、NLPR3和NF-κB表達(dá)均升高，AA-II組的BAX和NF-κB顯著上調(diào)（圖6A）；肝臟中，兩種處理組的BAX、TGF-β、SMAD3、NLPR3和NF-κB表達(dá)均明顯增加（圖6B）。進(jìn)一步對(duì)AA-I和AA-II處理組的胃組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，主成分分析顯示組間樣本分散而組內(nèi)聚類良好（圖6C）。差異基因分析發(fā)現(xiàn)，AA-I組共有1936個(gè)差異基因（上調(diào)1268個(gè)，下調(diào)668個(gè)）（圖6D），AA-II組達(dá)5973個(gè)（上調(diào)2757個(gè)，下調(diào)3216個(gè)）（圖6E）。KEGG富集分析表明，AA-I主要影響細(xì)胞因子-受體相互作用、病毒蛋白-細(xì)胞因子互作、補(bǔ)體凝血級(jí)聯(lián)、IL-17信號(hào)通路、蛋白質(zhì)消化吸收及趨化因子信號(hào)通路（圖6F）；而AA-II則顯著干擾核糖體、蛋白質(zhì)消化吸收、細(xì)胞黏附分子、胃酸分泌及血管平滑肌收縮等通路（圖6G），提示兩種毒素通過不同分子機(jī)制干擾胃功能動(dòng)態(tài)平衡。

 

總之，本文合成了一系列波長可協(xié)調(diào)的HD類染料，其中代表性染料HD14因其突破1100 nm的超長發(fā)射波長表現(xiàn)尤為突出。基于該染料庫，本文進(jìn)一步開發(fā)出具有肝腎清除特性的HD3-CD，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)順鉑誘導(dǎo)多器官損傷的同步評(píng)估。同時(shí)，通過HD6（660 nm激光激發(fā)）和HD14（808 nm激光激發(fā)）的近紅外二區(qū)成像技術(shù)，拓展了藥物性胃腸損傷的監(jiān)測(cè)維度。HD3-CD、HD6與HD14明確分離的吸收光譜使活體小鼠多色成像具有高信噪比特性。值得注意的是，該技術(shù)首次揭示了AA-I和AA-II可能引發(fā)的胃排空障礙現(xiàn)象。本研究不僅提升了深組織多器官病理成像的光學(xué)復(fù)用能力，更為探究藥物潛在毒性提供了卓越的多色成像平臺(tái)。

 

參考文獻(xiàn)

Jiang Pu et al., Rapid discovery of drug-introduced multiple organ dysfunction via NIR-II fluorescent imaging, Acta Phar-maceutica Sinica B

 

⭐️ ⭐️ ⭐️

動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

In Vivo Imaging System

高靈敏度 - 采用深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm
高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um
熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us
高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）
多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、光聲和光熱成像、原位成像光譜，CT等
顯微鏡 - 高分辨顯微成像系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀
 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 恒光智影

上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為“國家高新技術(shù)企業(yè)”、“上海市專精特新中小企業(yè)”，獲批主持“科技部重大儀器專項(xiàng)”子課題，榮獲上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科學(xué)儀器項(xiàng)目、上海市2025年度關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)計(jì)劃“計(jì)算生物學(xué)”項(xiàng)目。

恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進(jìn)的、一體化的成像解決方案。

專注動(dòng)物活體成像技術(shù)，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時(shí)可整合CT, X-ray，超聲，光聲，光熱成像等技術(shù)。

可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。