揭示帕金森病患者大脑中二氧化硫的代谢变化与空气污染之间的关系：从影像学研究到治疗评估

《Journal of Hazardous Materials》：Uncovering the metabolic variations of sulfur dioxide in the brain of Parkinson’s disease and air pollution: from imaging to therapeutic evaluations

　　

Jia Ke|Shunping Zang|Fuqiang Hu

浙江大学药学院，杭州，310058，中国

摘要

目前，帕金森病（PD）的确切病因尚未完全阐明，也缺乏根治性治疗方法。异常的脑代谢和二氧化硫（SO₂）的空气污染暴露与神经毒性密切相关。然而，由于缺乏能够穿透血脑屏障（BBB）的分子工具，SO₂在PD脑中的作用仍不明确。在此，我们开发了两种能够穿透BBB并对SO₂产生响应的近红外荧光传感器——PD-SO₂-1和PD-SO₂-2，以揭示PD脑中SO₂的变化情况。体外实验结果表明，这些传感器对SO₂具有优异的光学响应特性。此外，PD-SO₂-2（经过o-甲氧基修饰）显示出更高的信噪比和BBB转运效率。成像结果显示，PD模型细胞和小鼠体内的SO₂水平有所升高。重要的是，研究发现NADPH氧化酶（NOX）的过度表达参与了硫化氢（H₂S）向SO₂的氧化过程，而亚硫酸氧化酶（SOX）则促进了PD病理细胞中的SO₂代谢。此外，维生素B₂（VB₂）可以减轻PD模型小鼠和暴露于SO₂空气污染的小鼠的多巴胺能神经元损伤，这突显了SO₂与PD病理之间的重要关联。总体而言，这项工作提供了一种可靠的成像传感器（PD-SO₂-2），用于检测PD中SO₂的变化，并揭示了SO₂空气污染对PD发病机制的影响，为PD的病理生理学和治疗提供了新的见解。

引言

帕金森病（PD）不仅给患者带来身体和心理上的痛苦，还由于缺乏有效的治疗方法而给社会带来了严重的经济和情感负担[1]，[2]。迄今为止，已经提出了多种病理机制来解释其病因，如α-突触核蛋白聚集、线粒体功能障碍、神经炎症、氧化应激和金属离子失衡[3]，[4]，[5]，[6]。此外，临床病理学研究还表明，遗传因素、饮食和环境风险因素实际上增加了PD的发病率[7]，[8]，[9]。据报道，接触空气污染物（包括SO₂、PM_2.5、O₃和NO₂）与PD的风险增加密切相关[10]，[11]，[12]，[13]，[14]。最近的研究表明，空气污染中过量暴露于二氧化硫（SO₂）与PD风险增加有关。吸入后，空气中的SO₂会迅速在体液中转化为亚硫酸氢盐（HSO₃^2-）和亚硫酸盐（SO₃^2-）。这些衍生物可以穿过血脑屏障，引发炎症、氧化应激和多巴胺能神经元中的α-突触核蛋白聚集，这些都是PD发展的潜在病理机制[15]，[16]，[17]。此外，活体系统中SO₂的异常代谢与PD类似的病理变化密切相关，如谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）水平下降以及突触功能障碍[18]，[19]。另一方面，细胞内的SO₂是生物体硫代谢的关键组成部分，作为活性硫物种维持氧化还原平衡。通常，SO₂可以通过半胱氨酸（Cys）经半胱氨酸双加氧酶（CDO）氧化、硫化氢（H₂S）氧化以及亚硫酸氧化酶形成硫代硫酸盐的过程内源性产生[20]，[21]。特别是，SO₂/SO₂衍生物的异常扰动被认为是神经系统中的神经毒性物质[22]，[23]。然而，SO₂在PD病理进展中的变化尚未得到描述。因此，揭示PD病理脑中SO₂的动态变化以及SO₂的环境暴露不仅有助于理解PD的发病机制，还为潜在的治疗靶点提供了依据。

目前，荧光成像技术在脑部疾病诊断中取得了显著进展，因为它具有非侵入性、实时成像的特点，并且具有高空间和时间分辨率[24]，[25]，[26]，[27]，[28]。然而，血脑屏障（BBB）的存在不仅阻碍了化学传感器对脑部疾病的检测，也阻碍了针对脑部的药物开发[29]，[30]。因此，迫切需要构建一种能够穿透BBB的荧光传感器来研究SO₂在PD发病过程中的作用。尽管已经报道了许多用于监测SO₂/SO₂衍生物的荧光传感器，但利用SO₂/SO₂衍生物的亲核性来双键中断荧光团的π共轭会导致荧光信号发生蓝移。然而，这些短波长荧光对生物样本具有较高的光损伤，组织穿透深度低，信噪比低，不适合用于体内脑成像[31]，[32]，[33]。相比之下，近红外（NIR）（650-900 nm）区域的荧光发射在深层组织成像中具有应用前景，因为其光损伤和自荧光影响较小[34]，[35]。基于上述问题，开发一种能够穿透BBB并对SO₂具有特异性敏感性的新型荧光传感器是非常必要且重要的，以便深入研究其在PD发病过程中的作用。

最初，为了赋予荧光传感器穿透BBB的能力，我们制备了一种含有NIR发射特性的二氰骨架染料作为荧光团，并具有较大的斯托克斯位移。接下来，受到几种脑疾病药物的结构的启发，我们在荧光团上引入了o-甲氧基修饰，以提高其BBB穿透性[36]，[37]，[38]。此外，羟基部分被一个丙酮酸酯基团包裹，该基团可以被SO₂及其衍生物特异性脱保护。当荧光传感器与SO₂/SO₂衍生物发生反应时，会发生分子内的亲核加成反应，生成荧光团（图1A）。体外实验结果表明，PD-SO₂-2对SO₂的响应具有更大的NIR荧光切换幅度和更高的BBB转运效率（56.69%），而PD-SO₂-1的转运效率为49.19%。此外，细胞成像结果显示PD-SO₂-2能够检测到外源性补充和内源性代谢调节过程中SO₂/SO₂衍生物的变化。此外，在PD模型细胞中观察到SO₂水平升高。值得注意的是，我们首次证明了NOX介导的H₂S上游氧化导致SO₂含量增加，而亚硫酸氧化酶（SOX）在PD细胞中作为下游调节酶参与SO₂代谢（图1B）。进一步地，对PD和SO₂空气污染模型小鼠进行脑内SO₂成像和多巴胺能神经元染色，揭示了SO₂对大脑的神经毒性以及维生素B₂（VB₂）的解毒作用。总体而言，这项工作提供了关于PD中SO₂代谢及其与PD病理关系的关键理解，可能为PD治疗提供可靠且有前景的干预靶点。

章节片段

实验部分

详细的方法论，包括材料、仪器、细胞培养和模型小鼠开发的信息，见补充材料（SM）。

探针对SO₂的光学特性和BBB转运效率

首先，评估了PD-SO₂-1和PD-SO₂-2的光学性能和BBB转运效率。如图1A所示，SO₂的加入导致PD-SO₂-1在395 nm处的吸光度降低，并在500 nm处出现新的红移吸光度。同时，SO₂的加入可以在675 nm处引起荧光切换。而SO₂的加入可以使PD-SO2-2在400 nm处的吸光度红移至500 nm，并在705 nm处出现明显的荧光切换（图1B）。

结论

总之，为了揭示PD患者脑中SO₂的变化以及SO₂空气污染对大脑的影响，我们开发了两种NIR荧光探针PD-SO₂-1和PD-SO₂-2。特别是PD-SO2-2中的o-甲氧基修饰实现了更高的信噪比和BBB通透性效率（56.88%），具有优异的灵敏度和选择性。此外，PD-SO2-2能够实时可视化外源性补充、内源性代谢过程和PD模型细胞中SO₂的变化。

环境影响

空气污染对公共健康构成重大威胁，越来越多的研究表明长期暴露于空气污染物会增加帕金森病（PD）的风险。虽然流行病学研究主要关注PD发病率与主要空气污染物之间的关联，但我们的研究使用荧光成像技术具体探讨了SO₂暴露与PD发病率之间的关联。

CRediT作者贡献声明

Fuqiang Hu：撰写——审稿与编辑、监督、方法学设计、资金获取。Shunping Zang：软件开发、实验设计、数据管理、概念构思。Jia Ke：撰写——初稿撰写、方法学设计、数据管理。

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。

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