一种基于四苯基乙烯的分子转子可见近红外荧光探针，用于动脉粥样硬化的早期诊断

《Bioorganic Chemistry》：A molecular rotor visible-near-infrared fluorescence probe based on tetraphenylethylene for early diagnosis of atherosclerosis

泡沫细胞形成过程中伴随细胞内粘度增加和过氧化氢酶催化下HClO水平显著升高，本研究基于四苯乙烯（TPE）分子双响应机制（分子旋转电荷转移-TICT与聚集诱导发光-AIE），成功开发近红外荧光探针用于动脉粥样硬化早期诊断。

　　

孔家伟|杨志晨|闫凯哲|刘胜|顾东玲|王世豪|陈宏静|韩佳辉|苗亚楠|刘海斌|季晓明|王旺|于可

郑州大学药学院；药物发现与开发研究所；教育部先进药物制备技术重点实验室，中国郑州450001

摘要

泡沫细胞（FC）被认为是动脉粥样硬化的早期生物标志物，在其形成过程中，细胞内粘度和次氯酸（HClO）水平显著升高。基于上述结果，开发一种对粘度和HClO都具有响应性的荧光探针预计将成为动脉粥样硬化早期诊断的重要工具。在本研究中，我们选择四苯乙烯（TPE）作为荧光探针的发色团。利用其分子转子特性以及电子捐赠和共轭效应，我们成功开发出一种近红外荧光探针。该探针结合了分子内扭曲电荷转移（TICT）和聚集诱导发射（AIE）机制，实现对粘度和HClO的双重响应。此外，我们在体外和体内（包括斑马鱼模型）评估了该探针检测粘度和HClO的效果。

引言

动脉粥样硬化（AS）是一种由于脂质沉积在动脉壁上导致血流减少或受阻的疾病[1]、[2]、[3]。目前，与AS相关的心血管和脑血管疾病是全球主要的死亡原因之一[4]、[5]。这是一种进展缓慢的慢性炎症，在早期和中期可能没有明显症状，因此患者常常忽视它，而且缺乏有效的早期诊断工具[6]。 在髓过氧化物酶（MPO）的作用下，炎症刺激的低密度脂蛋白（LDL）被氧化成氧化低密度脂蛋白（ox-LDL），巨噬细胞和平滑肌细胞大量摄取ox-LDL后会形成泡沫细胞（FC）[7]、[8]、[9]、[10]。因此，FC被认为是AS的生物标志物。在FC形成过程中，大量的MPO会聚集，在MPO的催化下，人体内的丰富Cl^?会与H₂O₂反应生成HClO，所以FC的形成伴随着HClO水平的持续升高[11]、[12]。作为衡量细胞微环境是否正常的重要参数，粘度的增加是泡沫细胞形成的重要表现，也与AS密切相关[13]、[14]、[15]。因此，我们假设可以设计一种能够同时显示粘度和HClO水平异常的检测工具，以实现早期AS的高灵敏度指示。 荧光探针是一种方便的光学工具，可以检测、定量分析并荧光成像各种分子[16]、[17]、[18]。它具有高灵敏度、强特异性、操作简单、生物损伤小以及在体内成像性能好的优点[19]、[20]、[21]、[22]。近年来，随着理论科学的不断发展和分析仪器的改进，人们已将荧光探针的功能扩展到实时检测、引导手术甚至疾病治疗[23]、[24]、[25]。此外，具有红光和近红外（NIR）荧光发射的探针具有减少生物分子自荧光和增强荧光成像组织穿透力的优势[26]、[27]、[28]。 扭曲分子内电荷转移（TICT）是供体-受体共轭分子中常见的光物理现象[29]、[30]。基于扭曲分子内电荷转移（TICT）旋转的分子转子荧光探针由于其显著的灵敏度、非侵入性和原位独特性，已成为检测细胞粘度和生物医学成像的强大工具[31]、[32]、[33]。四苯乙烯（TPE）是一种典型的分子转子，具有独特的聚集诱导发射（AIE）特性，在细胞环境中由于聚集会产生强烈的荧光发射，使其更适合体内检测成像[34]、[35]。 目前，尚未有报道用于AS早期诊断的粘度和HClO双重响应荧光探针（见表1）。为填补这一空白，本研究设计、合成并优化了一种粘度和HClO双重响应的分子转子荧光探针。通过研究结构-活性关系，我们开发出具有优异检测性能的探针，并在光化学和生物学水平上对其进行了评估。这项工作旨在提供一种新的AS早期诊断工具，增进对分子转子荧光探针结构和功能的理解，并为改善AS诊断提供新的见解。（见图1、图2。）

探针分子的设计与合成

TPE作为主要发色团，通过改变其电子效应构建ICT系统，使其发射波长红移至近红外区域，并通过增加共轭程度引入更多自由旋转的共价键，从而增强分子的TICT特性并提高其对粘度的敏感性。由于硝基团的电子吸收效应比醛基团强得多，因此...

结论

总之，利用TPE分子的独特AIE特性及其分子转子结构，我们设计并合成了基于TICT效应的近红外双重响应荧光探针，命名为9a-b。TPE分子两端的推拉电子效应增强了其ICT特性，显著延长了最大发射波长。9b表现出优异的化学稳定性和光稳定性，低细胞毒性，并能特异性响应...

化学

所有市售的起始材料和溶剂均为试剂级，无需进一步纯化即可使用。¹H和¹³C核磁共振（NMR）谱是在Bruker DRX-400光谱仪上以400 MHz频率记录的，化学位移以ppm表示，耦合常数（J）以赫兹表示。高分辨率质谱（HRMS）是在Thermo Fisher Q-Exactive质谱仪上记录的。所有溶液的pH值均由Mettler-Toledo FE20K pH计测定。紫外-可见光（UV–Vis）吸收谱也是通过...

CRediT作者贡献声明

孔家伟：撰写——原始草稿，研究，数据管理。杨志晨：正式分析，概念构思。闫凯哲：研究，数据管理。刘胜：方法学，正式分析。顾东玲：可视化，概念构思。王世豪：研究，正式分析。陈宏静：验证，数据管理。韩佳辉：验证。苗亚楠：验证，数据管理。刘海斌：项目管理。季晓明：资源获取，数据管理。王旺：撰写——

利益冲突声明

我们声明与提交的工作没有任何可能代表利益冲突的商业或关联利益。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（于可：项目编号U1904163）、河南省自然科学基金（王旺：项目编号242300421529）、棉花生物育种与综合利用国家重点实验室开放基金（王旺：项目编号CB2024A32）以及河南省跨校重点科研项目（王旺：项目编号24B350005）的支持。