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荧光/磁共振双模探针RG通过GSH诱导的分子重排实现同步荧光增强与磁共振信号放大，为实时监测细胞内谷胱甘肽水平提供新方法，在肝损伤、神经退行性疾病等诊疗中具有应用潜力。
陈思阳|黄静怡|周佳琪|王月|贾洪民|孟庆涛|张强志
辽宁科技大学化学工程学院，中国辽宁省鞍山市，114051
摘要：
背景
谷胱甘肽（GSH）作为细胞内最丰富的生物硫醇，在维持氧化还原平衡和调节细胞功能方面发挥着关键作用。异常的GSH水平与多种病理状态密切相关，包括癌症、神经退行性疾病和氧化应激相关疾病。然而，由于单模成像技术的局限性（通常缺乏足够的灵敏度或足够的空间分辨率和组织穿透能力），在复杂的生物系统中准确监测GSH动态仍然具有挑战性。在这种情况下，荧光/磁共振（MR）双模成像技术应运而生，能够同时获取高分辨率的解剖结构和高度敏感的功能信息。
结果
本研究报道了一种新型荧光/磁共振（MR）双模探针RG，用于检测GSH。该探针结合了荧光成像的高灵敏度和MR成像的深组织穿透能力，克服了单模方法的局限性。在GSH存在下，亲核反应会触发罗丹明螺内酯环的开环，释放出荧光团。同时，钆配合物会与一个额外的水分子配位，显著增加其纵向弛豫率（r1），从而实现双信号的同时激活。RG探针具有高稳定性、对GSH的特异性、快速响应（5毫秒）、生理pH兼容性以及低细胞毒性，检测限达到2.47 μM。最终，RG探针成功应用于小鼠模型中的GSH荧光和磁共振双模成像。
意义
这一成功不仅提供了一种可靠的实时追踪GSH的方法，还为双模探针的设计提供了一种通用策略，提高了我们解析GSH相关生物学和疾病机制的能力。
引言
谷胱甘肽（GSH）是人体中重要的生物硫醇，在多种生理过程中发挥着关键作用，包括维持细胞内氧化还原平衡[1]、[2]、外源性物质代谢[3]、细胞内信号转导[4]和基因调控[5]。GSH水平的失衡与多种疾病的发病机制和进展密切相关，如肝脏损伤[6]、[7]、阿尔茨海默病[8]、[9]、帕金森病[10]、冠心病[11]、肺损伤[12]和哮喘[13]。因此，开发高灵敏度和选择性的GSH检测方法对于相关疾病的机制研究和临床诊断具有重要意义。
在各种GSH检测方法中，荧光成像因其操作简便性和高灵敏度[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]而被广泛采用。然而，其在深组织成像和治疗监测中的应用受到固有缺点的限制，如空间分辨率低和解剖背景差[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。相比之下，磁共振成像（MRI）具有出色的组织穿透能力、高三维分辨率、多参数成像功能以及无辐射损伤的优点，使其成为诊断深部组织早期病变的重要工具[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。荧光/磁共振（MR）双模成像能够同时获取高分辨率的解剖结构和高度敏感的功能信息。这种集成方法不仅适用于疾病诊断和治疗监测，还适用于细胞水平成像，从而为研究疾病机制提供了有力工具[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。目前，大多数报道的GSH检测双模探针将荧光成像与光声成像[40]、[41]或磁共振纳米材料[42]、[43]结合使用。然而，基于钆配合物的类似探针的开发仍然是一个未满足的需求。
在这里，我们开发了一种荧光/磁共振双模探针（RG），用于检测GSH。如图1所示，该探针结合了罗丹明B作为荧光团和DO3A-Gd作为MR单元。与GSH相互作用时，RG中的罗丹明螺内酯环会打开，同时释放出罗丹明荧光团和DO3A-Gd配合物（DOTA-Gd），从而同步激活荧光和磁共振信号。RG探针对GSH表现出高特异性和快速响应（5毫秒）。此外，RG探针已成功应用于GSH的荧光/MR双模成像研究，显示出在生物医学应用中的巨大潜力。与最近报道的双模GSH探针（表S1）相比，我们的探针在5毫秒内实现了超快的GSH响应，并且具有可验证的体内荧光/磁共振成像能力。这种快速且集成的响应直接解决了以往系统中观察到的动力学缓慢和缺乏实际双模功能的问题。
试剂和仪器
所有试剂和溶剂均为分析级，无需进一步纯化。去离子水使用Merck Millipore水纯化系统制备。具体来说，氯乙酰氯购自北京J&K Scientific有限公司；1,4,7,10-四氮杂环十二烷和三乙胺购自Macklin Biochemical Technology有限公司；碘化钾、罗丹明B、叔丁基溴乙酸酯、谷胱甘肽和其他氨基酸由上海Aladdin公司提供
探针RG对GSH的UV-Vis吸收光谱
首先通过UV-Vis吸收光谱评估了探针RG与GSH之间的相互作用。通过逐步向探针RG（50 μM）溶液中添加GSH（0-400 μM）进行滴定实验。如图2a所示，探针RG在565 nm处的特征吸收峰随着GSH浓度的增加而逐渐增强，在添加400 μM GSH时增强了3.9倍。如图2b所示，还研究了探针RG（50 μM）的选择性。
结论
总之，我们成功开发了一种新型双模探针RG，该探针基于DO3A-Gd和罗丹明B构建，能够实现高效的GSH荧光/MR双模成像。该探针在生理条件下表现出良好的稳定性和生物相容性。与GSH发生特异性反应时，它能同时激活荧光信号增强和MR信号放大——这一响应机制通过质谱分析得到了验证。体外和体内的实验结果均证明了这一点
CRediT作者贡献声明
王月：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。黄静怡：实验研究。陈思阳：数据整理，撰写 – 初稿。周佳琪：实验研究。张强志：正式分析。孟庆涛：指导。贾洪民：方法学设计
利益冲突声明
作者声明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“辽宁省科学技术厅项目（2025-MSLH-348）”的支持。
