基于姜黄素近红外探针的阿尔茨海默病Aβ斑块多靶点诊疗一体化研究

《Bioorganic Chemistry》：Visualizing and mapping aβ plaques by curcumin-derived NIR sensors: Multitarget theranostic agents for Alzheimer's disease

本研究针对阿尔茨海默病(AD)早期诊断与治疗难题，开发了两种新型姜黄素衍生物近红外(NIR)荧光探针。研究证实该探针可特异性结合Aβ单体、寡聚体和纤维体，通过荧光寿命成像(FLIM)技术实现斑块核心与周边不同聚集态Aβ物种的高分辨可视化，并在转基因小鼠模型中成功实现活体脑内Aβ斑块检测。更重要的是，化合物同时展现剂量依赖性抑制Aβ和Tau蛋白聚集的神经保护活性，首次将高精度Aβ物种区分、活体诊断与多靶点治疗功能整合于单一小分子，为AD诊疗一体化提供了创新策略。

　　

在老龄化社会加速到来的今天，阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease, AD)作为最主要的神经退行性疾病，其诊断和治疗仍是全球性难题。当前临床使用的乙酰胆碱酯酶抑制剂和NMDA受体拮抗剂仅能缓解症状，而近年来出现的靶向β-淀粉样蛋白(Amyloid β, Aβ)的单克隆抗体疗法虽然直接针对疾病核心病理，却面临价格昂贵、疗效争议和安全性问题等多重挑战。更关键的是，AD的病理进程可长达数十年，但早期诊断手段匮乏，错过了最佳干预期。

在这一背景下，诊疗一体化(Theranostics)策略应运而生——开发能同时实现诊断成像和治疗功能的化合物。其中，基于小分子的近红外(Near-Infrared, NIR)荧光探针因其良好的组织穿透性、低组织自发荧光和实时监测能力而备受关注。特别是源于天然产物姜黄素的CRANAD系列化合物，已展现出优异的Aβ靶向性和活体成像潜力。然而，如何精确区分Aβ病理中的不同关键物种——尤其是毒性最强的可溶性寡聚体(Oligomers)——并同时实现治疗干预，仍是未被突破的科学难题。

发表在《Bioorganic Chemistry》上的这项研究，由西班牙马德里康普顿斯大学álvaro Sarabia-Vallejo等人合作完成，报道了两种新型姜黄素衍生物的设计、合成与系统评价。研究综合运用了有机合成化学、光谱学表征、细胞毒性评估(MTT法)、蛋白结合亲和力测定(K_d)、离体组织荧光染色、荧光寿命成像显微镜(Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM)、转基因小鼠活体脑成像以及Aβ和Tau蛋白聚集抑制实验等多学科技术方法，系统阐明了化合物作为AD诊疗一体化探针的潜力。

化合物设计合成与基本性质

研究人员通过对先导化合物CRANAD-2进行结构修饰，引入额外极性原子和1,3-二氧杂硼杂环己烷单元，合成了目标化合物5a(含N-甲基哌嗪)和5b(含吗啉基)。这一设计旨在增强化合物与亲水性环境及可溶性Aβ物种(如寡聚体)的相互作用，并将荧光发射波长红移至近红外区(650–690 nm)，同时克服姜黄素自身的化学不稳定性。光谱分析表明，化合物在疏水环境中荧光增强，具备"点亮型"探针的特征，且具有70–90 nm的大斯托克斯位移，有利于生物成像。

细胞安全性与蛋白结合特性

在SH-SY5Y人神经母细胞瘤细胞的毒性实验中，两种化合物均表现出良好的生物相容性，尤其是5b在高达100 μM浓度下也未显示细胞毒性。体外结合实验显示，化合物与Aβ₄₀的不同形态(单体、寡聚体、聚集纤维)均具有纳摩尔级的高亲和力(K_d值)。值得注意的是，5a与不同Aβ物种结合时发射波长发生位移，这一特性为区分不同聚集态提供了光谱依据。

离体组织染色与高分辨成像

在5xFAD转基因AD模型小鼠的脑组织切片中，5a和5b与金标准染料硫磺素T(Thioflavin T, ThT)显示出优异的共定位，证实了其特异性标记Aβ斑块的能力。更重要的是，两种化合物，尤其是5b，能够标记比ThT更广泛的斑块周边区域，暗示其对于可溶性Aβ物种(如寡聚体)具有更强的亲和力。

荧光寿命成像揭示斑块异质性

研究团队进一步利用FLIM技术，发现了化合物荧光寿命在斑块不同区域的规律性变化：从疏水性的斑块核心(富含不溶性纤维)到亲水性的周边区域(富含可溶性寡聚体)，荧光寿命呈现递减趋势。这种寿命差异(>0.12 ns)具有统计学意义，使得无需抗体即可实现对斑块内部不同Aβ物种分布的可视化"测绘"，为理解Aβ病理的动态演变提供了强大工具。

活体诊断与血脑屏障穿透性

通过腹腔注射给药，研究人员在活体5xFAD转基因小鼠上直接通过颅骨测量脑内荧光信号。结果显示，转基因小鼠脑部信号强度是野生型小鼠的5–6倍，且信号窗口期可持续90–120分钟，证明了化合物优异的血脑屏障(Blood-Brain Barrier, BBB)穿透能力和活体诊断潜力。其中，5b因碱性较弱、脂溶性更高，表现出更优的活体性能。

多靶点治疗潜力评估

除了诊断功能，研究还评估了化合物的治疗潜力。在抑制Aβ聚集方面，5b能有效抑制Aβ₄₂形成可溶性寡聚体，而5a则对抑制Aβ₄₀形成不溶性大聚集纤维更为有效，均呈剂量依赖性。此外，在基于Tau蛋白核心聚集序列VQIVYK的六肽模型实验中，两种化合物均能显著抑制Tau蛋白的聚集，展示了其针对AD另一核心病理——Tau蛋白缠结的多靶点治疗潜力。

本研究成功开发了两种新型姜黄素衍生物NIR荧光探针5a和5b。它们首次将多种关键功能整合于单一小分子：能够以高分辨率区分和可视化Aβ斑块内不同聚集态物种(特别是毒性寡聚体)；可在活体水平无创检测脑内Aβ负荷；同时具备抑制Aβ和Tau蛋白聚集的双重神经保护活性。该研究不仅为AD的早期诊断提供了比抗体染色更简便、比PET成像更经济的替代方案，其"诊疗一体化"特性也为实现个体化剂量调整和治疗监测奠定了基础。更重要的是，通过FLIM揭示的斑块内部结构差异，为深入理解AD病理发生机制提供了新的视角和研究工具，标志着在攻克阿尔茨海默病这一复杂疾病的道路上迈出了创新而坚实的一步。