Angew. Chem. ：NIR-II光声探针用于活体肿瘤NO高空间分辨定量成像

一氧化氮（NO）作为一种多效性信号分子，不仅具有信号转导的功能，而且与多种疾病的发生发展密切相关。现有的研究表明NO具有促进肿瘤发展和抗肿瘤的双重作用，这主要取决于NO的浓度：低浓度NO促进肿瘤的生长；高浓度NO抑制肿瘤发展。因此，实现活体肿瘤NO动态的高分辨成像与量化对于揭示其在病理过程中所扮演的双重作用至关重要。然而，由于缺乏合适的分子探针，实现肿瘤中NO的高分辨定量分析仍然存在重大挑战。

针对这一现状，南京林业大学刘志鹏教授团队与南京大学郭子建院士团队展开合作，设计开发了一种可用于活体肿瘤NO高空间分辨量化成像的NIR-II光声探针（图1）。结合比例型三维光声成像技术，探针SPA_NO2在模型鼠肿瘤发展和药物治疗的过程中，可以精准量化NO的浓度，研究首次确定了NO双重作用的浓度阈值约为80 nmol/cm³。基于成像结果对不同脏器NO浓度进行分析，作者发现在肿瘤发展的过程中NO介导了肿瘤与肝脏之间的化学通讯。

图1 探针的分子结构与活体肿瘤NO高空间分辨量化成像示意图

该课题组前期的工作表明，乙烯桥联的BODIPY二聚体骨架（BisBDP1）可用于构建NIR-II吸收型染料。通过对其进行NO响应基团修饰，同时引入生物素聚醚链作为水溶性靶向基团，作者获得了具有肿瘤靶向能力的光声探针SPA_NO2。SPA_NO2对NO具有良好的比例响应行为，最大吸收波长在结合NO后从1010 nm处蓝移至950 nm。探针的比例型响应行为能够避免生物体内源性血红蛋白产生的背景信号干扰，实现NO的高分辨成像。

图2 探针的光物理性质

在生物实验中，作者首先利用该课题组前期开发的NIR-I光声探针PA_NO2与SPA_NO2进行成像比较，评估了NIR-I与NIR-II光声探针在组织穿透深度和成像分辨率之间的差异。如图3所示，SPA_NO2的活体成像深度（9.5 mm）和信噪比（4.8 db）明显高于PA_NO2（4.7 mm, 3.1 db），这一结果证明了NIR-II光声探针在活体成像应用中的优势。其次，以SPA_NO2作为成像试剂，结合双通道比例型3D-PA成像，可以清楚的分辨模型鼠肿瘤的轮廓和肿瘤中NO的分布信息。

图3 探针高空间分辨成像研究

接下来，作者处理分析了肿瘤中不同深度横截面中比例型PA信号（0-8 mm）,比例信号整体分布较均匀，这有利于信号强度的精准量化。通过高分辨光声成像、体外试剂盒检测等手段，作者建立了比例光声信号-肿瘤NO浓度之间的关系，首次实现了活体器官中NO高分辨定量分析方法。随后作者研究了在肿瘤生长和药物治疗过程中，不同器官内NO浓度的变化情况。基于成像结果和量化分析，作者不仅确定了肿瘤中约80 nmol/cm³的NO浓度是主导肿瘤生长或抑制的关键阈值，还发现了肿瘤和肝脏之间可能存在NO参与介导的化学通讯。在肿瘤生长过程中，肝脏中NO浓度逐渐下降，通过免疫荧光染色分析对其分子机制进行了探索，作者发现肝脏中神经型一氧化氮合成酶表达的降低可能是导致肝脏NO浓度下降的主要原因。

图4 NO量化成像研究

该研究不仅为阐明NO对肿瘤发生发展的调控与干预机制提供了可靠的研究工具，还将促进NIR-II分子光声探针在化学生物学及生物医学等领域的应用。

论文信息

A NIR-II Photoacoustic Probe for High Spatial Quantitative Imaging of Tumor Nitric Oxide in Vivo

Zhiyong Jiang, Changli Zhang, Qian Sun, Xiaoqing Wang, Yuncong Chen, Wejiang He, Zijian Guo, Zhipeng Liu*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202320072