心血管炎癥狀態(tài)實時光聲成像技術無創(chuàng)動態(tài)監(jiān)測動脈粥樣硬化風險
本研究開發(fā)了一種新型的中性粒細胞彈性蛋白酶激活的比例光聲納米探針（SPNE），用于非侵入性、實時成像動脈粥樣硬化斑塊的易損性。動脈粥樣硬化是全球心血管疾病的主要誘因，其中中性粒細胞彈性蛋白酶（NE）作為一種關鍵蛋白酶，通過降解細胞外基質和破壞斑塊纖維帽穩(wěn)定性，顯著加劇疾病進展。然而，現(xiàn)有NE檢測方法無法在活體內實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。該納米探針具備高選擇性、高靈敏度和強抗干擾能力，成功建立了體內光聲信號比率與NE濃度的定量關系，并引入易損性指數(shù)評估斑塊不穩(wěn)定性。實驗表明，SPNE能夠預測炎癥反應對斑塊破裂風險的影響，并可視化炎癥條件下內膜增生中NE的動態(tài)變化，為心血管疾病研究提供了重要工具。
本研究成果由Hui Cao、Xin Meng、Yuan Ma、Zhe Li、Xinyu Xu、Jiaqi Fu、Qingpeng Zhang、Hanlin Wei、Peng Liang、Dingyou Lu、Jinyu Li、Baoli Yin、Shuangyan Huan、Xiao-Bing Zhang和Guosheng Song共同完成，論文題為“Neutrophil elastase-activatable ratiometric photoacoustic nanoprobes for imaging atherosclerotic plaque vulnerability”，于2025年10月在《Nature Communications》期刊在線發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
01探針設計與合成機制
本研究核心是開發(fā)一種中性粒細胞彈性蛋白酶（NE）激活的比例光聲納米探針（SPNE）。SPNE由兩部分組成：一是NE響應性探針（NERP），作為可激活的光聲模塊；二是基于苯并三唑的融合環(huán)分子，作為NE非響應性參考信號。NERP通過將NE可切割的肽底物（N-乙酰-Ala-Ala-Pro-Val-COOH）與半花青熒光團（Hcy）通過脫水縮合反應合成。在未激活狀態(tài)下，SPNE僅產生微弱的光聲信號；當與NE反應后，肽段被切割，恢復分子內電荷轉移效應，導致在695納米波長處光聲信號顯著增強，而800納米波長處的信號保持不變。這種設計使得PA695/PA800比率直接反映NE活性。納米探針通過納米共沉淀法合成，使用聚苯乙烯-馬來酸酐（PSMA）和DSPE-PEG2000作為表面活性劑，形成粒徑約40納米的球形顆粒，具備良好的膠體穩(wěn)定性。
SPNE在溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和特異性。吸收光譜和熒光光譜測試顯示，隨著NE濃度增加，695納米處吸光度和光聲信號線性增強，而800納米信號保持穩(wěn)定。線性響應范圍為0-2 U/L，檢測限低至27.957 mU/L。邁克爾遜-曼滕動力學實驗表明，SPNE與NE的親和力高，催化效率為1.833 μM⁻¹s⁻¹。此外，SPNE對活性氧和其他酶類（如堿性磷酸酶、基質金屬蛋白酶2）無明顯響應，顯示出強抗干擾能力。光聲成像驗證了PA695/PA800比率在不同掃描截面、探針濃度和多次激發(fā)下均保持穩(wěn)定，確保了體內應用的可靠性。細胞實驗中，SPNE能夠特異性識別NE高表達的中性粒細胞，并通過流式細胞術和共聚焦顯微鏡證實其低細胞毒性和高選擇性。
03體內光聲成像與NE定量分析
在ApoE基因敲除小鼠模型中，通過高脂飲食誘導動脈粥樣硬化斑塊形成。研究采用空間定位技術，將體內光聲信號與離體斑塊位置精確匹配。通過植入基準標記，記錄光聲圖像坐標，并與解剖后的斑塊距離對應，實現(xiàn)了PA信號與斑塊NE含量的關聯(lián)。ELISA測試顯示，不同斑塊片段中的NE含量與PA695/PA800比率呈強線性相關（R²=0.986），首次實現(xiàn)了體內NE的定量化分析。同時，離體熒光成像結果與光聲信號趨勢一致，驗證了SPNE的可靠性。在頸動脈斑塊模型中，SPNE成功監(jiān)測了炎癥（脂多糖誘導）和藥物干預（羅蘇伐他汀和地塞米松聯(lián)合治療）對NE動態(tài)變化的影響。炎癥刺激顯著提升PA比率，而藥物治療有效降低NE水平，表明抗炎和降脂聯(lián)合療法可穩(wěn)定斑塊。
04斑塊易損性評估與病理驗證
本研究創(chuàng)新性地引入了斑塊易損性指數(shù)（VI），公式為VI = （巨噬細胞% + 壞死核心%）/ （平滑肌細胞% + 膠原纖維%）。該指數(shù)綜合了斑塊易損的四個關鍵成分：巨噬細胞（促進炎癥）、平滑肌細胞（維持結構）、壞死核心（增加破裂風險）和膠原纖維（提供機械穩(wěn)定性）。組織病理學分析（如免疫熒光染色、H&E染色和Sirius紅染色）顯示，易損性指數(shù)與PA695/PA800比率高度相關（R²=0.941）。在頸動脈斑塊實驗中，炎癥組巨噬細胞浸潤和壞死核心比例顯著升高，而平滑肌細胞和膠原纖維減少，導致易損性指數(shù)上升；藥物治療組這些指標得到改善，證實SPNE能有效預測斑塊破裂風險。此外，SPNE還應用于內膜增生模型，實時成像了NE在血管損傷修復中的動態(tài)變化，為術后再狹窄研究提供了新視角。
創(chuàng)新與亮點
本研究突破了動脈粥樣硬化成像中的兩大難題：一是傳統(tǒng)單波長光聲探針易受探針濃度、清除動力學和局部環(huán)境干擾，無法實現(xiàn)定量分析；二是體內光聲信號與實際NE含量難以關聯(lián)。SPNE通過比例設計（PA695/PA800）實現(xiàn)了自校準，消除了外部變量影響，首次建立了體內NE定量方法。技術層面，該探針結合了半導體聚合物納米材料的高穩(wěn)定性和比例光聲成像的深部組織穿透能力（可達數(shù)毫米），空間分辨率高，優(yōu)于熒光成像的有限穿透深度和光散射問題。
在實際應用價值上，SPNE為光學生物醫(yī)療領域提供了革命性工具。在心血管疾病中，它允許非侵入性、實時監(jiān)測斑塊炎癥狀態(tài)，助力早期診斷和風險分層。例如，在個性化醫(yī)療中，醫(yī)生可根據(jù)NE水平定制抗炎或降脂方案，優(yōu)化治療策略。同時，該技術適用于術后監(jiān)測，如血管介入后的內膜增生評估，減少再狹窄導致的二次傷害。展望未來，SPNE的模塊化設計可適配其他蛋白酶靶點，拓展至腫瘤或炎癥性疾病成像，推動分子影像學發(fā)展。
總結與展望
本論文成功開發(fā)了一種中性粒細胞彈性蛋白酶激活的比例光聲納米探針，通過比例信號設計實現(xiàn)了動脈粥樣硬化斑塊內NE的體內定量成像，并結合易損性指數(shù)提供了斑塊穩(wěn)定性的綜合評估工具。實驗證明，SPNE具備高靈敏度、強特異性和抗干擾能力，在炎癥模型和藥物治療監(jiān)測中表現(xiàn)出色。未來工作可聚焦于臨床轉化，如優(yōu)化探針生物相容性以用于人體試驗，或整合多模態(tài)成像技術提升診斷精度。此外，探索環(huán)境因素（如生活方式）對斑塊炎癥的影響，將有助于心血管疾病的預防醫(yī)學發(fā)展�？傊�，SPNE為心血管研究開辟了非侵入性動態(tài)監(jiān)測的新途徑，具有廣闊的臨床應用前景。
聲明：本文僅用作學術目的。
Cao H, Meng X, Ma Y, Li Z, Xu X, Fu J, Zhang Q, Wei H, Liang P, Lu D, Li J, Yin B, Huan S, Zhang XB, Song G. Neutrophil elastase-activatable ratiometric photoacoustic nanoprobes for imaging atherosclerotic plaque vulnerability. Nat Commun. 2025 Oct 31;16(1):9635.
DOI:10.1038/s41467-025-64633-2.
