内容提要
目前大多数近红外探针存在信号转换低、光稳定性差、探针特异性差、功能受限等问题。本文设计合成了一种具有超高吸收性的近红外croconium克酮酸染料(CDA-3)，该染料可特异地与β-淀粉样蛋白(Aβ)纤维的疏水通道紧密结合，在800 nm处有强吸收峰，低功率激光照射下可产生明显的局部温度波动，从而产生很强的光声信号。这种染料经过放射性18F标记后，可以对大脑皮质中的Aβ斑块进行超灵敏光声断层扫描(PAT)/正电子发射断层扫描(PET)/荧光三模式成像。PAT具有较高的空间分辨率和光学特异性，适合于成像皮质血管的病理部位；PET显示全身解剖，定量的生物分布信息，因此，本文报道的croconium克酮酸染料通过PAT和PET能够诊断和定位斑块。
结果与讨论
受芳香环-共轭桥-芳香环平面骨架结构的启发，作者报道了一系列具有croconium生物相容性染料。具有电子给体-p-受体-p-供体结构的CDA具有良好的近红外吸收性能(CDA-1 604 nm, CDA-2 779 nm,CDA-3 798 nm)。CDA的croconium环是一个稳定的环型中离子化合物，具有一个电子受体核和一个电子供体翅膀，导致了较强的近红外吸收。这两种噻吩结构也是给体电子给体，通过与疏水通道的结合促进了Aβ的高亲和力。优化后的CDA化合物构型为梯形，两个亲水端基伸长。对接结果表明CDA-3位于Val18上方，与Lys16平行并倾斜，CDA-3的羧酸离子与赖氨酸的羧基之间形成氢键。目前大多数探针与6-碘- 2-(4-二甲氨基)苯咪唑[1,2-a]吡啶(IMPY)共用同一个位点，并嵌入疏水的Val18_Phe20通道。结果表明，CDA化合物严格地进入了结合袋。Lys16_Val18_Phe20亲疏水双通道纵向运行至纤维轴。随着单体数量的增加，随着纤维伸长，通道长度和潜在结合位点增加。因此，我们认为该结合位点主要负责CDA-3与Aβ1-40靶向结合。当CDA-3与Aβ1-40聚集体结合时，荧光强度增加，表明CDA-3与Aβ1-40聚集体之间存在明显的相互作用。
作者评价了croconium染料作为一种新的PA造影剂成像大脑中的Aβ斑块。将CDA-3的PA性能与吲哚菁绿(ICG)、普鲁士蓝(PB)和金纳米棒(GNRs)等常用探针进行了比较。所有这些染料的吸收峰都落在近红外窗口。用808 nm激光(1.0 W cm-2)，CDA-3溶液的温度从26℃迅速上升到63℃。在NIR激光照射下，溶液的紫外(UV)吸光度没有明显的变化。在相同的条件下，GNRs和PB产生的升温幅度较小(从27到40℃)。花菁染料(如ICG)有明显的缺点，如光漂白和热效应随时间的增加而损失。相比之下，ICG在CDA中没有同时出现明显的吸收光谱变化。CDA作为一种具有优良光热效应的近红外有机染料，在800 nm脉冲激光照射下可以有效地产生PA信号。CDA对PA信号的依赖性与浓度的关系。此外，我们将CDA与三种具有代表性的探针ICG、PB和GNRs进行了PA性质的比较。在相同浓度下，CDA提供的PA信号强度最高分别是ICG、PB和GNR的1.4倍、1.5倍和4.5倍。利用人神经细胞(SH-SY5Y)进行MTT试验，研究CDA-3的生物相容性。即使在相对较高的浓度0.5 mg mL-1, CDA-3的细胞毒性也可以忽略不计。
作者探讨了CDA-对脑血管中Aβ斑块特异性标记。对甲醛固定的WT(野生型)和Tg小鼠的脑切片进行第一次Aβ抗体(6E10)染色，Tg小鼠的脑切片很容易被6E10标记。CDA-3染色的Tg老鼠和AD病人的大脑血管中的Aβ沉积和纤维化与硫磺素染色 (Th-S)非常吻合。WT老鼠的大脑部分没有被明显标记。为了进一步检查血管上CDA-3对阳性Aβ斑块的影响，作者使用血管平滑肌细胞(VSMC)标记物(phalloidin-Alexa 594)对石蜡包埋的大脑切片进行染色。Tg小鼠血管中的Aβ沉积被VSMC标记物清楚地标记出来。
作为一种近红外荧光染料，使用不同的脑组织覆盖层(0, 1, 2,3 mm)检测CDA-3的穿透深度。随着脑组织厚度的增加，荧光强度明显减弱，但在3mm处仍可检测到，荧光强度的定量分析如图。为了检测CDA-3染料在体内的生物分布，我们进行了NIRF成像，尾静脉注射0.1 mg mL-1的CDA-3给阿尔茨海默病(5-FAD)和WT小鼠。5-FAD和WT组。注射后4小时，5 -FAD组脑组织可见最大强度的荧光。然而，在WT组中，CDA-3的生物分布显示了一个可以忽略的大脑保留，这表明游离染料很快从体内被清除。这些结果表明高荧光信号在5-FAD小鼠可归因于CDA-3染料和β-淀粉样斑块之间的特异性结合能力。
与荧光成像不同，PA成像可以通过超声波打破强光学散射，同时保持较高的穿透深度和空间分辨率。由于CDA-3在体外具有良好的PA性能，我们随后在CAA模型中研究了体内PA成像。18F标记的CDA-3注射后不同时间点小鼠大脑的PA图像。从PA成像结果可以看出，在注射后1小时，功能化染料在CAA模型中比对照组积累得更好。在给药4小时后，CDA-3的PA信号在Tg组的脑血管中显示明显的增强，提示高Aβ结合。WT组的PA信号几乎与之前相同。为了进一步突出脑区，我们将不同时间点的PA图像减去注射药物前的原始PA图像，进行差分PA成像。通过比较Tg组注射前和注射4h后的PA信号，可见矢状窦的增强PA图像对比度显著。而WT组在不同时间点的PA信号没有明显变化。这些结果表明，CDA-3复合物具有强大的能力，可以提高斑块增强成像对CAA的诊断价值。
随着PET技术在临床中广泛应用于全身成像，作者探索了基于18F的PET方法作为一种辅助成像技术。我们通过尾静脉注射了185 MBq/62.5 mg剂量的 18F CDA-3。从图中可以看出， Tg小鼠大脑中18F CDA-3分布清晰。由于缺乏Ab斑块，WT小鼠的大脑中很少有特异性结合。由于淀粉样蛋白特异性示踪剂，18F CDA-3 PET显示Tg小鼠的脑血管摄取率约为WT组的2倍。由于PET没有组织穿透限制，在给药18F CDA-3后的1小时内，通过全小鼠获得了0.9 mm厚的连续冠状切片。然而，发现18F CDA-3显著尿化，Tg小鼠的断层成像显示18F CDA-3在脑内的三维分布明显，而不是WT组的低脑积累。综上所述，18F CDA-3是一种用于体内CAA监测和早期诊断的PET探针。
结论
本研究探索了croconium克酮酸染料作为PET/PA/NIR荧光三模成像配体对脑斑块的选择性亲和性。CDA-3具有增强的近红外吸收、有效的光热特性、灵敏的PA反应以及全身PET成像等优点，在脑血管淀粉样蛋白监测方面发挥着重要作用，将为制定有效的CAA等脑血管疾病防治策略提供有力支持，将有助于研究大脑疾病的潜在机制。
参考文献
Highly specific noninvasive photoacoustic and positronemission tomography of brain plaque with functionalized croconium dye labeledby a radiotracer. Yajing Liu, Yanping Yang, Mingjian Sun, Mengchao Cui, Ying Fu, Yu Lin, ZijingLi*, Liming Nie*. Chem. Sci., 2017,8, 2710. DOI: 10.1039/c6sc04798j. https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/sc/c6sc04798j
