近紅外熒光探針檢測β-淀粉樣蛋白的研究進展

蓋婷婷,高春紅,陳 哲,蒲永利,沈增瑞,唐科友,許 靜

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 化學(xué)與化工學(xué)院,山東 濟南 250353

1 研究進展介紹

1.1 噻吩類衍生物

2005年,Swager課題組[1]設(shè)計了D-π-A型結(jié)構(gòu)的熒光探針NIAD-4(圖1a),通過雙噻吩連接供體基團對羥基苯基和受體基團二氰基甲二烯,使最大吸收和發(fā)射波長紅移。NIAD-4對Aβ斑塊有很強的結(jié)合力,由于剛性芳香環(huán)的作用,使得NIAD-4與Aβ聚集體混合時自由旋轉(zhuǎn)減少,熒光強度顯著增加。而小鼠體內(nèi)成像實驗表明,通過靜脈注射,NIAD-4可以輕松穿過血腦屏障(BBB),在大腦和血管中分別標(biāo)記出Aβ斑塊。但熒光分子探針NIAD-4的最大發(fā)射波長僅為603 nm,小于紅光的波長范圍(650 ～ 900 nm)。之后該課題組[2-3]對NIAD-4 的結(jié)構(gòu)進行了一系列調(diào)整,對其供電子基團進行了改良,得到了探針NIAD-11(圖1b)和探針NIAD-16(圖1c),可以看出,這兩個探針的紅移較為明顯,其最大發(fā)射波長分別為690 nm和720 nm。通過下面的熒光成像圖(圖1d)中可以看出,NIAD-16可以從背景信號中區(qū)分出血管和非血管Aβ斑塊。

注:a)探針NIAD-4結(jié)構(gòu)式;b)探針NIAD-11結(jié)構(gòu)式;c)探針NIAD-16結(jié)構(gòu)式;d)探針NIAD-16熒光成像圖。

2019年Fu等[4]在苯并噻唑染料ThT中引入了親脂性π共軛噻吩橋,用聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)結(jié)構(gòu)單元替換了聚集熒光猝滅(ACQ)結(jié)構(gòu)單元,調(diào)整磺酸酯基團的取代位置,合成了具有近紅外聚集誘導(dǎo)發(fā)光活性的探針QM-FN-SO3(圖2)。該探針具有超高的信噪比、良好的結(jié)合親和力、優(yōu)良的BBB滲透性和高性能的近紅外發(fā)射等優(yōu)良特征；解決了從水到蛋白質(zhì)原纖維聚集行為之間的難題；消除了傳統(tǒng)商業(yè)探針ThT存在的固有局限性,可以對Aβ斑塊取得精準(zhǔn)的反饋信息,精確檢測到病理區(qū),達到早期檢測、早期預(yù)防、早期治療的目的,減少對患者的傷害,減少對家庭和社會的壓力。

圖2 探針QM-FN-SO3結(jié)構(gòu)式

1.2 香豆素衍生物

2017年K.Rajasekhara等[5]合成了一種基于香豆素-喹啉(CQ)(圖3)共軛的近紅外熒光探針,該探針能有效擇性檢測Aβ42。CQ標(biāo)記Aβ斑塊顯示出較高的特異性,且CQ與Aβ42纖維聚集體結(jié)合時具有較高的血清穩(wěn)定性和結(jié)合親和力。此外,該化合物對 Aβ 聚合物具有較強的特異性,能夠有效區(qū)分 Aβ、Tau蛋白、α-突觸核蛋白(α-Syn)和胰島淀粉樣多肽 (IAPP)。

圖3 探針CQ結(jié)構(gòu)式

1.3 二吡咯甲烷硼類(BODIPY)衍生物

BODIPY類衍生物是D-A型骨架結(jié)構(gòu),以噻吩基團、雙鍵連接供體基團和受體基團為主[6]。2010年,Ono團隊[7]設(shè)計并合成了一種放射性碘化的BODIPY衍生物。其中探針BODIPY7(圖4a)的激發(fā)/發(fā)射波長分別為606 nm/613 nm,對Aβ聚合物具有較好的結(jié)合親和力。但大腦對探針BODIPY7的吸收率較低,大部分探針分子被肝臟快速吸收。2012年,Ono團隊[8]報道了另外一種BODIPY衍生分子探針BAP-1(圖4b)。該化合物具有更高的量子效率,且對Aβ聚合物具有較強的結(jié)合能力,但其激發(fā)和發(fā)射波長很短,分別只有614 nm和648 nm。與探針BODIPY7相比,探針BAP-1大大改善了大腦的攝取率,并且該探針在大腦內(nèi)的清洗速率較快。

注:a)探針BODIPY7結(jié)構(gòu)式;b)探針BAP-1結(jié)構(gòu)式。

1.4 姜黃素類衍生物

姜黃素具有良好的抗氧化、抗腫瘤等特性,常被用作抗Aβ的物質(zhì)。大多數(shù)姜黃素類衍生物為D-A-D型的骨架結(jié)構(gòu),用雙鍵兩邊分別連接供體基團和受體基團。2009年,Ran等[9]用N,N-二甲胺基替換了原來的酚羥基,并在原有姜黃素結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上連接氟硼絡(luò)合物,形成了探針CRANAD-2(圖5a),該探針的最大吸收和發(fā)射波長分別為 640 nm和805 nm。當(dāng)探針CRANAD-2與Aβ結(jié)合后,熒光強度相比其自身增強了約70倍、量子產(chǎn)率增強了67倍?？傊?改良后的熒光探針結(jié)構(gòu)是非常穩(wěn)定的,對Aβ表現(xiàn)出良好的親和能力,并且與該探針與蛋白質(zhì)的作用力較弱。為了減小探針CRANAD-2 的脂溶性,該課題組隨后在探針CRANAD-2結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了調(diào)整。在2011年[10]該課題組合成了探針CRANAD-3(圖5b),該探針不僅能夠與Aβ聚合物相結(jié)合,而且可以與可溶性Aβ單體和二聚體相結(jié)合。在2013年[11],該課題組對探針CRANAD-2的結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整,用N,N’-二乙胺基吡啶基團替換了原來的N,N-二甲胺基苯基,合成了對可溶性Aβ和不可溶性Aβ同時都有作用的姜黃素類衍生物CRANAD-58(圖5c)。

注:a)探針CRANAD-2結(jié)構(gòu)式;b)探針CRANAD-3結(jié)構(gòu)式;c)探針CRANAD-58結(jié)構(gòu)式。

1.5 苯并噻唑衍生物

苯并噻唑染料硫黃素T(ThT)是研究蛋白質(zhì)聚集最常用的配體之一。在蛋白原纖維存在的情況下,ThT熒光強度顯著增加(大約1 000倍)。然而ThT具有一定的局限性,不能區(qū)分原纖維聚集體和非原纖維聚集體,并且某些蛋白質(zhì)聚集體會影響熒光信號,從而導(dǎo)致假陰性[12]。2013年Cheol團隊[13]通過6-甲?；?2(N-甲基氨基)萘與3,30-二硫代雙(4-氨基苯酚)的縮合合成了檢測Aβ斑塊的探針SAD1(圖6)。該探針具有明顯的TP作用橫截面,具有良好的水溶性,對Aβ斑塊具有較高的結(jié)合親和力和選擇性,能夠穿過BBB。另外,SAD1具有很高的光穩(wěn)定性,可長期成像。

圖6 探針SAD1z結(jié)構(gòu)式

2017年C.Dyrager團隊[14]合成了L1、L2、L3(圖7a、b、c)三種NIRF探針,在Aβ1-42淀粉樣蛋白原纖維存在的情況下三種衍生物均顯示出強發(fā)射強度。另外與組織切片中Aβ沉積物的結(jié)合表明,對苯并噻唑-三唑結(jié)其進行修飾可以使其與特定的蛋白質(zhì)聚集體結(jié)合。

注:a)探針L1結(jié)構(gòu)式;b)探針L2結(jié)構(gòu)式;c)探針L3結(jié)構(gòu)式。

1.6 共軛π電子鏈類探針(DANIRs)

以不同長度的共軛雙鍵同時連接供體基團和受體基團是探針DANIRs分子的一個重要特點,通過調(diào)整優(yōu)化供體基團和受體基團間的共軛雙鍵長短可以適當(dāng)將探針的發(fā)射波長,另外結(jié)構(gòu)的調(diào)整還能改善探針對Aβ斑塊的結(jié)合能力。2013年,Cui等[15]合成了探針DANIR 2c(圖8a),其發(fā)射波長為665 nm,對Aβ聚合物有很強的親和能力。為了增加熒光探針的發(fā)射波長,在DANIR 2c探針的基礎(chǔ)上又合成了3個探針,分別為MAAD-3(圖8b)、MCAAD-3(圖8c)和DMMAD-3(圖8d))。腦切片染色實驗證明以上4個探針均具有較好的熒光性質(zhì)、較高的量子產(chǎn)率、高的BBB透過率和強Aβ親和力。

注:a)DANIR 2c結(jié)構(gòu)式;b)MAAD-3結(jié)構(gòu)式;c)MCAAD-3結(jié)構(gòu)式;d)DMDAD-3結(jié)構(gòu)式。

2 總結(jié)與展望

目前報道的絕大多數(shù)近紅外熒光探針只能用于檢測和標(biāo)記Aβ斑塊,但無法檢測和標(biāo)記神經(jīng)毒性更強的Aβ寡聚體。另外,當(dāng)Aβ斑塊形成時會對神經(jīng)細胞造成極大的損傷,給AD的治療帶來嚴(yán)重的影響。AD早期診斷技術(shù)的匱乏是AD治療失敗的一個極其重要的原因。因此開發(fā)能夠特異性檢測大腦內(nèi)Aβ寡聚體的NIRF探針是解決AD早期診斷和提高臨床治療成功率的有力保障。目前,NIRF探針的應(yīng)用還存在很大的局限性,相信隨著研究的深入,未來將會得到改善。