《Sensors and Actuators B: Chemical》：A NIR Fluorescence Probe for Dynamic Profiling of Lipid Droplets in Iron Overload Cardiomyopathy
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本研究设计并合成了一种近红外荧光探针ZY-1，用于早期非侵入性检测铁过载导致的脂滴（LDs）动态变化，为铁过载相关疾病（如地中海贫血）的早期诊断和治疗提供工具。
赵玉哲| 郑丹| 吴家萍| 叶勇| 孟晓兰| 徐丽萍| 曾林涛| 秦晓军| 杨星业
广西医科大学药学院，生物活性分子研究与评价重点实验室，微纳生物分析及药物筛选重点实验室，药物精准检测与筛选重点实验室，地中海贫血医学国家重点实验室，广西地中海贫血研究重点实验室，南宁，530021，中国
摘要
铁过载会引发氧化应激和并发症，导致多器官损伤，尤其是心脏损伤。早期检测和干预铁过载对于管理与铁过载相关的疾病（如地中海贫血）至关重要。输血依赖型地中海贫血的典型特征是铁过载，这会导致重要器官中铁的过度积累。铁过载会引发脂质/磷脂的氧化。脂质滴（LDs）是主要的抗氧化防御细胞器。为了早期、无创且可视化地检测铁过载，我们设计并合成了一种近红外荧光探针ZY-1，用于成像铁过载细胞和动物模型中的脂质滴。ZY-1表现出极性依赖性：随着极性的降低，荧光强度增加，并已在橄榄酸/棕榈酸模拟的脂质滴模型及铁振荡实验中得到验证。ZY-1能够追踪脂质氧化过程中脂质滴的动态变化，以及铁过载早期引起的细胞器相互作用，并可通过铁螯合剂进行恢复。在铁死亡（ferroptosis）模型中，脂质滴的行为与铁过载模型一致。此外，ZY-1成功用于监测早期铁过载性心肌病，其诊断时间比组织学和超声心动图分析提前2-4周。因此，ZY-1是探索铁过载生物学过程中脂质滴变化及早期诊断铁过载相关疾病的潜在工具。
引言
地中海贫血是一种影响珠蛋白链合成的遗传性疾病。重度地中海贫血（通常为α-地中海贫血）患者需要长期输血，从而导致多个器官中铁的过度积累。铁过载会引发氧化应激和一系列并发症，如心律失常和心力衰竭[13]。由心肌铁过载引起的心力衰竭是患者的主要死因（约71%）[3]。因此，早期诊断和干预铁过载性心脏损伤对于管理与铁过载相关的疾病至关重要。
在临床实践中，肝活检是检测器官中铁含量的金标准方法。然而，肝活检与铁过载引起的心脏损伤之间的相关性较差[15],[6]。超声心动图通常在铁过载高风险晚期才显示出显著差异[14],[23]。心内膜活检和普鲁士蓝染色属于侵入性操作，有时会出现假阴性结果。此外，心脏磁共振成像是一种理想的评估铁沉积特征性信号损失的方法。尽管上述方法在铁过载性心肌病（IOC）的临床诊断和治疗方面已相对成熟，但仍无法完全满足临床需求。特别是目前尚缺乏用于组织和器官中铁过载早期诊断的生物标志物。
异常的脂质代谢是铁过载的主要特征。铁会通过芬顿反应（Fenton reaction）催化活性氧（ROS）的产生。ROS会导致氧化应激，进而引发脂质氧化，最终导致细胞死亡[24],[8]。为了保护细胞免受氧化损伤，细胞进化出了多种抗氧化防御机制，包括激活抗氧化转录因子和上调还原剂[24]。最新研究表明，脂质滴（LDs）作为一种额外的抗氧化细胞器发挥作用：它们通过储存脂质而非中和ROS来抵抗氧化[1],[10],[11],[12],[17],[18],[19],[21],[8]。已证实胶质细胞中的多不饱和脂肪酸会在脂质滴中积累，脂质滴限制了脂质氧化链反应的进展，防止ROS水平无限制上升，从而保护细胞免受氧化损伤。研究还发现，离子波动与铁死亡、肝损伤和脂肪肝疾病中的脂质滴变化密切相关[27],[34],[7]。在正常情况下，脂质滴是细胞内的圆形球形结构，用于储存中性脂质。在铁死亡过程中，细胞内的脂质滴会通过脂解作用分解，释放游离脂肪酸（FFAs）以抵抗铁死亡（Wang Kn Auid-Orcid等人，2021年[33]）。
因此，实时监测脂质滴的变化是评估心脏铁过载严重程度和探究铁过载损伤机制的有效策略。荧光成像技术为实现脂质滴的可视化检测提供了有力手段。内质网探针BODIQPY-TPA和脂质滴探针QPy-TPA表明，铁死亡可能激活了与其他程序性细胞死亡模式不同的脂质调节机制[31]。除了铁死亡外，心肌缺血/再灌注损伤也会引发心肌细胞铁死亡，这一过程伴随着脂质滴的波动，可通过聚集诱导发射探针TPABTBP进行监测（Wang Yihui等人，2024年）。动脉粥样硬化斑块可通过脂质激活的NIR-II探针Rh-965成像[32]，急性肺损伤和哮喘可通过脂质滴探针MY-1检测[16]。尽管已开发出多种用于研究典型疾病和组织的脂质滴探针，但脂质滴和铁过载的动态变化尚未得到充分研究。因此，开发一种用于监测心脏中铁过载过程中脂质滴变化的NIR荧光探针十分必要。在本研究中，我们开发了一种脂质滴激活的NIR荧光探针，用于成像心脏铁过载。该探针能够追踪脂质滴的动态变化，有望用于早期诊断铁过载性心肌病并探究铁过载过程中与极性相关的生物学过程。
探针的设计与合成
探针的设计与合成
BODIPY具有较高的荧光量子产率和优异的光稳定性，因此在生物标记和成像中得到广泛应用[5]-[26]。在本研究中，我们以吡啶-BODIPY为构建块，在3位引入吲哚乙烯基团，制备了一种NIR荧光探针。这一修饰不仅将荧光发射范围扩展到近红外区域，还赋予了探针分子内电荷转移特性。
探针的细胞成像
首先，我们检测了ZY-1的细胞毒性，以评估其在细胞中的毒性。实验结果表明，在H9c2细胞中，该探针在实验浓度下无显著毒性（图S2：IC80 = 14.88 μM，IC50 = 116.2 μM）。随后我们研究了ZY-1在细胞成像中的性能。橄榄酸（OA）是一种能促进甘油三酯合成的不饱和脂肪酸，可激活与脂质滴生成相关的一系列途径；棕榈酸也具有类似作用。
体内安全性评估
基于ZY-1在铁过载细胞中检测脂质滴动态变化的表现，我们进一步验证了其在体内早期诊断铁过载引起的心脏损伤的有效性。实验小鼠按照《实验动物护理和使用指南》进行饲养。C57BL/6J小鼠接受了右旋糖酐铁（每25克1.25毫克）的处理，10周内死亡率显著增加（数据未显示[22]）。
结论
本研究开发了一种用于动态追踪铁过载疾病中脂质滴变化的独特NIR BODIPY探针。ZY-1对极性变化具有高灵敏度和选择性。铁过载细胞模型和铁死亡细胞模型与脂质滴细胞模型一致，且这些模型可通过铁螯合剂和铁死亡抑制剂得到恢复。研究表明，铁过载早期脂质会在脂质滴中积累，以抵抗铁引起的脂质氧化。此外...
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（82360706）、广西科技创新基地与优秀人才科研基金（AD23026168）、国家自然科学基金（22407032）、广西自然科学基金（2025GXNSFBA069569）、广西高等教育中青年教师科研能力提升项目（2024KY0108）以及广西医科大学一流学科创新人才计划的支持。
