一种对一氧化碳具有响应性的近红外荧光探针，具有较大的斯托克斯位移，适用于细胞和体内炎症的评估

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Carbon monoxide responsive near-infrared fluorescent probe with large stokes shift for inflammation evaluation in cells and in vivo

基于一氧化碳（CO）的炎症检测与治疗评估需求，本研究设计并合成了一种近红外（NIR）荧光探针YKL-CO，具有高灵敏度（检测限50 nM）、快速响应（8分钟内）和大斯托克斯位移（155 nm）特性，可精准监测细胞和动物模型中的CO动态变化，为炎症病理诊断和治疗效果评估提供新工具。

　　

李恒|曹边丽|尹娟|吴泽杰|胡淼

河南省北Henan医科大学医学实验室，新乡453003，中国

摘要

一氧化碳（CO）这种内源性气体信号分子在调节细胞保护过程和维持生理稳态方面起着关键作用。然而，CO的过量产生与炎症的启动和进展密切相关。因此，构建一种高度敏感的CO激活型荧光探针对于早期检测病理炎症和直接评估抗炎干预的治疗效果至关重要。在这里，我们设计并合成了一种新的近红外荧光探针（YKL-CO），它能够以显著的特异性和灵敏度（检测限=50 nM）快速检测CO，并具有较大的斯托克斯位移（155 nm）。YKL-CO能够在细胞和小鼠炎症模型中监测CO的变化，从而有助于准确评估炎症的严重程度并直接评价抗炎药物对炎症的治疗效果，凸显了其在以CO为导向的生物医学研究中的潜在应用价值。

引言

炎症本质上是由先天免疫系统针对多种有害刺激发起的一种防御性保护反应，通过消除外部病原体和组织修复来恢复机体稳态，因此通常对机体健康具有生理益处[1]、[2]、[3]。然而，急性炎症的持续或慢性状态会促进各种炎症性疾病（如动脉粥样硬化、肥胖、关节炎、癌症等）的发病和发展[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。因此，准确评估炎症状态对于诊断炎症相关疾病、药物筛选和治疗干预至关重要。

作为一种高反应性的内源性气体递质，一氧化碳（CO）主要通过血红素加氧酶催化的血红素分解过程产生，已被证明是多种细胞保护过程中的内源性介质，包括抗增殖、神经传递、血管扩张、抗炎和抗凋亡[10]、[11]、[12]。此外，越来越多的证据表明，炎症引起的氧化应激会显著增加细胞内CO的表达水平，而失调的CO水平与多种炎症相关疾病密切相关[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。因此，CO可以被视为炎症过程中的关键内源性气体介质。分子荧光技术与可激活荧光探针的结合在生物分析领域（疾病诊断、手术导航、药物评估）引起了极大的兴趣，因为它们具有操作简便、高时空分辨率和非破坏性检测等显著优势[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。尽管已经报道了许多用于检测生物系统中CO的荧光探针，但大多数现有探针的响应时间较长，且/或发射波长在短波范围内（<650 nm），这严重限制了它们在病理诊断中的应用，因为组织自荧光和较浅的穿透深度会导致干扰[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。此外，近红外（NIR）区域（650–900 nm）发射的荧光探针可以减少组织自荧光并增强光子穿透深度，从而更准确地成像和评估生物模型中的各种生理/病理过程[39]、[40]、[41]。尽管一些NIR荧光探针已被用于CO检测，但由于斯托克斯位移小于100 nm，它们在体内成像时存在自吸收效应，限制了其应用[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]。因此，开发具有较大斯托克斯位移的NIR荧光探针是非常必要的，这可以通过最小化激发带和发射带的重叠来显著提高CO检测灵敏度，从而有利于体内应用。因此，需要开发响应速度快、斯托克斯位移大的新NIR荧光探针，以监测CO动态，有助于炎症病理的诊断和阐明。

基于上述考虑，我们专门设计了一种具有较大斯托克斯位移的可激活近红外（NIR）荧光探针（YKL-CO），用于及时准确地诊断炎症过程并进行治疗评估，通过监测CO活性的动态变化。如方案1所示，探针YKL-CO是通过将CO激活单元（烯丙基甲酸酯基团）与近红外供体-π-受体（D-π-A）荧光团结合而成的，该荧光团由含有二乙胺的水杨醛（电子供体）和喹啉鎓基团（电子受体）组成。YKL-CO在响应CO介导的Tsuji-Trost反应后，对CO表现出优异的NIR荧光（728 nm）响应，具有较大的斯托克斯位移（155 nm），并且反应迅速（在8分钟内），选择性高（检测限为50 nM），这使得可以直接在细胞和体内对炎症进行荧光诊断和治疗效果评估。

部分内容摘要

一般信息和材料

除非另有说明，实验中使用的材料均从商业供应商处购买，无需进一步纯化。细胞的图形摘要元素来自Smart Servier Medical Art（https://smart.servier.com/）。核磁共振（NMR）光谱（包括¹H和¹³C NMR光谱）是在Bruker AV 500 MHz或600 MHz光谱仪上记录的。所有化合物的高分辨率质谱均使用Agilent 6520B Q-TOF光谱仪进行检测。

探针YKL-CO的合理设计与表征

考虑到设计出优异的荧光团对于开发能够评估复杂生物系统中病理炎症的响应性光学探针至关重要。如方案1所示，通过1-乙基-4-甲基喹啉鎓（电子受体）和4-(二乙胺)水杨醛（电子供体）的缩合，合理构建了具有增强π-π共轭和电子传递能力的荧光团（YKL-OH）。

结论

总之，我们设计并合成了一种可激活的NIR荧光探针YKL-CO，用于通过CO激活过程进行炎症的诊断和治疗评估，该探针具有独特的荧光响应特性。这种探针不仅表现出良好的灵敏度（50 nM）、快速响应（在8分钟内），以及较大的斯托克斯位移（155 nm），还对其他反应物质具有高选择性，从而实现了准确的荧光检测。

CRediT作者贡献声明

李恒：概念构思、方法学、验证、研究、撰写——原始草稿。曹边丽：方法学、验证、研究、撰写——审阅与编辑。尹娟：项目管理、资金获取、撰写——审阅与编辑、监督。吴泽杰：撰写——审阅与编辑、监督。胡淼：资金获取、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了北Henan医科大学杰出青年教师计划（编号：qnjs2022004）和河南省品牌特色建设项目 - 医学实验室技术（编号：zdxk20182301）的财政支持。