近红外荧光探针检测β-淀粉样蛋白的研究进展

盖婷婷,高春红,陈 哲,蒲永利,沈增瑞,唐科友,许 静

齐鲁工业大学(山东省科学院) 化学与化工学院,山东 济南 250353

1 研究进展介绍

1.1 噻吩类衍生物

2005年,Swager课题组[1]设计了D-π-A型结构的荧光探针NIAD-4(图1a),通过双噻吩连接供体基团对羟基苯基和受体基团二氰基甲二烯,使最大吸收和发射波长红移。NIAD-4对Aβ斑块有很强的结合力,由于刚性芳香环的作用,使得NIAD-4与Aβ聚集体混合时自由旋转减少,荧光强度显著增加。而小鼠体内成像实验表明,通过静脉注射,NIAD-4可以轻松穿过血脑屏障(BBB),在大脑和血管中分别标记出Aβ斑块。但荧光分子探针NIAD-4的最大发射波长仅为603 nm,小于红光的波长范围(650 ～ 900 nm)。之后该课题组[2-3]对NIAD-4 的结构进行了一系列调整,对其供电子基团进行了改良,得到了探针NIAD-11(图1b)和探针NIAD-16(图1c),可以看出,这两个探针的红移较为明显,其最大发射波长分别为690 nm和720 nm。通过下面的荧光成像图(图1d)中可以看出,NIAD-16可以从背景信号中区分出血管和非血管Aβ斑块。

注:a)探针NIAD-4结构式;b)探针NIAD-11结构式;c)探针NIAD-16结构式;d)探针NIAD-16荧光成像图。

2019年Fu等[4]在苯并噻唑染料ThT中引入了亲脂性π共轭噻吩桥,用聚集诱导发光(AIE)结构单元替换了聚集荧光猝灭(ACQ)结构单元,调整磺酸酯基团的取代位置,合成了具有近红外聚集诱导发光活性的探针QM-FN-SO3(图2)。该探针具有超高的信噪比、良好的结合亲和力、优良的BBB渗透性和高性能的近红外发射等优良特征；解决了从水到蛋白质原纤维聚集行为之间的难题；消除了传统商业探针ThT存在的固有局限性,可以对Aβ斑块取得精准的反馈信息,精确检测到病理区,达到早期检测、早期预防、早期治疗的目的,减少对患者的伤害,减少对家庭和社会的压力。

图2 探针QM-FN-SO3结构式

1.2 香豆素衍生物

2017年K.Rajasekhara等[5]合成了一种基于香豆素-喹啉(CQ)(图3)共轭的近红外荧光探针,该探针能有效择性检测Aβ42。CQ标记Aβ斑块显示出较高的特异性,且CQ与Aβ42纤维聚集体结合时具有较高的血清稳定性和结合亲和力。此外,该化合物对 Aβ 聚合物具有较强的特异性,能够有效区分 Aβ、Tau蛋白、α-突触核蛋白(α-Syn)和胰岛淀粉样多肽 (IAPP)。

图3 探针CQ结构式

1.3 二吡咯甲烷硼类(BODIPY)衍生物

BODIPY类衍生物是D-A型骨架结构,以噻吩基团、双键连接供体基团和受体基团为主[6]。2010年,Ono团队[7]设计并合成了一种放射性碘化的BODIPY衍生物。其中探针BODIPY7(图4a)的激发/发射波长分别为606 nm/613 nm,对Aβ聚合物具有较好的结合亲和力。但大脑对探针BODIPY7的吸收率较低,大部分探针分子被肝脏快速吸收。2012年,Ono团队[8]报道了另外一种BODIPY衍生分子探针BAP-1(图4b)。该化合物具有更高的量子效率,且对Aβ聚合物具有较强的结合能力,但其激发和发射波长很短,分别只有614 nm和648 nm。与探针BODIPY7相比,探针BAP-1大大改善了大脑的摄取率,并且该探针在大脑内的清洗速率较快。

注:a)探针BODIPY7结构式;b)探针BAP-1结构式。

1.4 姜黄素类衍生物

姜黄素具有良好的抗氧化、抗肿瘤等特性,常被用作抗Aβ的物质。大多数姜黄素类衍生物为D-A-D型的骨架结构,用双键两边分别连接供体基团和受体基团。2009年,Ran等[9]用N,N-二甲胺基替换了原来的酚羟基,并在原有姜黄素结构的基础上连接氟硼络合物,形成了探针CRANAD-2(图5a),该探针的最大吸收和发射波长分别为 640 nm和805 nm。当探针CRANAD-2与Aβ结合后,荧光强度相比其自身增强了约70倍、量子产率增强了67倍。总之,改良后的荧光探针结构是非常稳定的,对Aβ表现出良好的亲和能力,并且与该探针与蛋白质的作用力较弱。为了减小探针CRANAD-2 的脂溶性,该课题组随后在探针CRANAD-2结构的基础上进行了调整。在2011年[10]该课题组合成了探针CRANAD-3(图5b),该探针不仅能够与Aβ聚合物相结合,而且可以与可溶性Aβ单体和二聚体相结合。在2013年[11],该课题组对探针CRANAD-2的结构进行了调整,用N,N’-二乙胺基吡啶基团替换了原来的N,N-二甲胺基苯基,合成了对可溶性Aβ和不可溶性Aβ同时都有作用的姜黄素类衍生物CRANAD-58(图5c)。

注:a)探针CRANAD-2结构式;b)探针CRANAD-3结构式;c)探针CRANAD-58结构式。

1.5 苯并噻唑衍生物

苯并噻唑染料硫黄素T(ThT)是研究蛋白质聚集最常用的配体之一。在蛋白原纤维存在的情况下,ThT荧光强度显著增加(大约1 000倍)。然而ThT具有一定的局限性,不能区分原纤维聚集体和非原纤维聚集体,并且某些蛋白质聚集体会影响荧光信号,从而导致假阴性[12]。2013年Cheol团队[13]通过6-甲酰基-2(N-甲基氨基)萘与3,30-二硫代双(4-氨基苯酚)的缩合合成了检测Aβ斑块的探针SAD1(图6)。该探针具有明显的TP作用横截面,具有良好的水溶性,对Aβ斑块具有较高的结合亲和力和选择性,能够穿过BBB。另外,SAD1具有很高的光稳定性,可长期成像。

图6 探针SAD1z结构式

2017年C.Dyrager团队[14]合成了L1、L2、L3(图7a、b、c)三种NIRF探针,在Aβ1-42淀粉样蛋白原纤维存在的情况下三种衍生物均显示出强发射强度。另外与组织切片中Aβ沉积物的结合表明,对苯并噻唑-三唑结其进行修饰可以使其与特定的蛋白质聚集体结合。

注:a)探针L1结构式;b)探针L2结构式;c)探针L3结构式。

1.6 共轭π电子链类探针(DANIRs)

以不同长度的共轭双键同时连接供体基团和受体基团是探针DANIRs分子的一个重要特点,通过调整优化供体基团和受体基团间的共轭双键长短可以适当将探针的发射波长,另外结构的调整还能改善探针对Aβ斑块的结合能力。2013年,Cui等[15]合成了探针DANIR 2c(图8a),其发射波长为665 nm,对Aβ聚合物有很强的亲和能力。为了增加荧光探针的发射波长,在DANIR 2c探针的基础上又合成了3个探针,分别为MAAD-3(图8b)、MCAAD-3(图8c)和DMMAD-3(图8d))。脑切片染色实验证明以上4个探针均具有较好的荧光性质、较高的量子产率、高的BBB透过率和强Aβ亲和力。

注:a)DANIR 2c结构式;b)MAAD-3结构式;c)MCAAD-3结构式;d)DMDAD-3结构式。

2 总结与展望

目前报道的绝大多数近红外荧光探针只能用于检测和标记Aβ斑块,但无法检测和标记神经毒性更强的Aβ寡聚体。另外,当Aβ斑块形成时会对神经细胞造成极大的损伤,给AD的治疗带来严重的影响。AD早期诊断技术的匮乏是AD治疗失败的一个极其重要的原因。因此开发能够特异性检测大脑内Aβ寡聚体的NIRF探针是解决AD早期诊断和提高临床治疗成功率的有力保障。目前,NIRF探针的应用还存在很大的局限性,相信随着研究的深入,未来将会得到改善。