利用去铁胺结合的尼罗红衍生物对微塑料进行非共价放射性标记，以实现体内定量追踪

《Analytica Chimica Acta》：Noncovalent Radiolabeling of Microplastics Using a Desferrioxamine-Conjugated Nile Red Derivative for Quantitative In Vivo Tracking

本研究开发了一种非共价放射性标记法，利用DFO-偶联的尼罗红衍生物实现微塑料在活体内的稳定追踪，保持其本征特性，并成功应用于PTFE微塑料的体内分布研究，显示主要在胃肠道积累，为评估潜在健康风险提供了新方法。

　　

Jung Eun Park|Jun Young Lee|Jeong Hoon Park|Jongho Jeon

庆北国立大学化学工程与应用化学学院，大邱市 Buk-gu 区 Daehak-ro 80 号，41566，大韩民国

摘要

背景

微塑料现在被认为是环境污染物，人们对其对生态系统和人类健康的潜在影响越来越关注。了解它们在体内的命运对于准确进行风险评估至关重要；然而，在生物系统中定量追踪微塑料仍然具有挑战性。现有的标记方法通常依赖于表面修饰或共价功能化，这可能会改变颗粒的固有物理化学性质，并影响其生物学相关性。到目前为止，还没有一种既定的分析方法能够在不破坏微塑料原有特性的前提下实现非破坏性、定量的体内追踪。

结果

在这里，我们报道了一种非共价放射性标记方法，该方法使用脱铁胺（DFO）共轭的尼罗红衍生物（DFO-Hexyl NR），可以在不改变微塑料表面特性的情况下实现双重荧光成像和放射性金属螯合。二己基氨基取代基增强了与原始聚合物表面的疏水相互作用，而引入的 DFO 部分则允许稳定的 ⁸⁹Zr 螯合。这种方法保留了 PTFE、PS 和 PET 微塑料的固有物理化学特性，这一点通过 FT-IR 光谱、Zeta 电位和接触角测量得到了证实，并且在酸性、碱性、盐水和血清条件下表现出良好的稳定性。利用这种策略，⁸⁹Zr 标记的 PTFE 微塑料在口服给药后被用于体内正电子发射断层扫描，结果显示主要停留在胃肠道中，系统吸收量极少。通过对多种塑料类型的进一步放射性标记实验，证明了该方法适用于具有不同化学结构的聚合物。

意义

所描述的放射性标记平台能够实现非破坏性和定量的体内追踪环境相关微塑料，并保留其固有的物理化学特性。这种方法克服了传统基于表面修饰的标记策略的局限性，为研究微塑料在生物系统中的行为提供了全新的分析能力。该方法为研究聚合物特异性生物动力学、慢性暴露情景以及不同暴露途径下的比较评估奠定了坚实的分析基础。

引言

塑料因其多功能性、耐用性和低成本而被广泛使用，但它们在环境中的持久存在引发了人们对通过紫外线降解、氧化和机械磨损产生的微塑料（< 5 mm）和纳米塑料（< 100 nm）的日益关注 [1]，[2]。这些颗粒现在可以在各种环境介质中被检测到，包括空气、水、土壤和生物体中，并可能被低营养级的生物体摄入，随后在食物链中积累 [3]，[4]，[5]。人类通过受污染的海鲜、饮用水、食盐和食品包装材料长期暴露于这些颗粒 [6]。因此，微塑料已在胃肠道、肝脏、肺、肾脏、大脑甚至人体血液中被发现 [7]。最近的研究进一步表明，微塑料和纳米塑料可能会破坏肠道屏障，引发氧化应激和炎症，改变免疫反应，并触发全身毒性 [8]。这些证据凸显了进行定量体内研究的迫切需求，以阐明微塑料的生物分布、积累、转运和清除机制，从而评估潜在的健康风险。

为了解决这一需求，非侵入性分子成像已成为追踪生物体内颗粒物质命运的宝贵工具 [9]。基于荧光的染色方法已被广泛用于研究细胞和组织层面的相互作用 [10]，[11]，[12]，尤其在透明水生生物（如枝角类动物、卤虫和鱼苗）中非常有效，可以高空间分辨率地可视化其吸收和组织相互作用 [13]。然而，光学成像存在固有的物理限制，包括组织穿透深度浅、光子散射和信号衰减，这阻碍了其在哺乳动物体内深层器官分析中的应用。最近的研究利用 NIR-II（900–1700 nm）荧光团来增强小鼠模型中口服微塑料的胃肠道转运可视化 [14]。尽管有这些进展，基于荧光的成像在精确确定微塑料在生物组织中的分布以及定量评估其体内行为方面仍存在局限性。

为了克服这些限制，核成像作为一种替代方法被探索出来，它能够实现深层组织的定量追踪。使用 ⁶⁴Cu 和 ⁸⁹Zr 等放射性金属的正电子发射断层扫描成像可以无信号衰减地追踪微塑料的全身动力学。这种方法可以在单个器官中进行可靠的时间-活性测量 [15]，[16]，[17]。然而，现有的放射性标记策略仅依赖于经过合成功能化的模型微塑料，通常是带有伯胺基团的球形聚苯乙烯珠子。在放射性标记之前，将脱铁胺（DFO）或 1,4,7,10-四氮杂十二烷-1,4,7,10-四乙酸（DOTA）等螯合剂共价连接到这些氨基功能化的颗粒上 [18]，[19]，[20]，[21]。这种共价修饰不可避免地改变了关键物理化学性质，包括表面电荷和有效颗粒大小，这可能会影响体内吸收、肠道转运和全身分布。更重要的是，这些人造工程颗粒与原始微塑料有很大差异，这引发了人们对所得生物分布数据的环境和毒理学相关性的担忧。

在这项研究中，我们提出了一种新的放射性标记策略，可以在不需要微塑料表面特定功能团的情况下将其稳定地结合放射性核素。基于尼罗红衍生物的强疏水吸附特性，我们将其与 DFO 螯合剂结合，重新设计了荧光团作为放射性同位素标记的锚定分子。这种标记方法消除了对共价表面修饰的需求，通过简单的非破坏性程序实现了放射性金属的结合。通过保留颗粒的原始表面特性，该方法为基于核成像（正电子发射断层扫描）的环境相关微塑料追踪提供了一个更真实可靠的平台，并能够对其体内行为进行严格的定量评估。

部分片段

合成步骤

DFO-Hexyl NR（1）的合成分为五个步骤，起始原料为 3-氨基酚，如图 1(a) 所示。所有试剂、合成步骤、纯化方法和表征数据均见补充材料。

DFO-Hexyl NR（1）的光学性质

在不同溶剂条件下评估了 Hexyl NR（4a）和 DFO-Hexyl NR（1）的荧光性质。染料储备溶液（1 mg/mL）分别制备在 Tween 20 或二甲基亚砜（DMSO）中，每种储备液取 50 μL 并稀释至 5 mL

DFO-Hexyl NR（1）的合成

为了实现对微塑料的放射性标记，我们设计了一种多功能尼罗红衍生物 DFO-Hexyl NR（1），作为一种兼具荧光和放射性金属螯合功能的支架。该化合物含有二己基氨基取代基，相对于传统的二乙基氨基取代尼罗红，增强了疏水性，并预期能增强与塑料表面的疏水相互作用。此外，引入了脱铁胺（DFO）部分以实现与 ⁸⁹Zr 的有效螯合

讨论

在这项研究中，我们设计了一种基于尼罗红的荧光团（DFO-Hexyl NR，1），它可以像传统荧光染色一样吸附在原始微塑料表面，同时引入脱铁胺（DFO）部分以实现与 ⁸⁹Zr 等同位素的放射性金属螯合。这种设计允许通过荧光显微镜进行高分辨率成像可视化微塑料，并通过正电子发射断层扫描进行定量追踪

结论

在这项研究中，我们开发了一种非共价放射性标记策略，使用尼罗红衍生的荧光团（DFO-Hexyl NR，1）来实现微塑料的稳定放射性金属螯合和定量追踪，而不改变其固有的表面性质。该方法保留了原始微塑料的固有物理化学特性，适用于多种类型的聚合物，比传统的共价标记策略更具环境相关性。

CRediT 作者贡献声明

Jung Eun Park：撰写——原始草稿、方法学、研究。Jun Young Lee：撰写——原始草稿、研究、形式分析。Jeong Hoon Park：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理。Jongho Jeon：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（项目编号：2022R1A2C1003577 和 RS-2023-00237149）。我们还要感谢韩国原子能研究所（Jeongeup，韩国）的回旋加速器设施的研究人员对放射性同位素应用所做的贡献。