脂質(zhì)作為生命體的基本構(gòu)成組分發(fā)揮著重要生理功能。脂質(zhì)的異常分布是動(dòng)脈粥樣硬化、脂肪肝、糖尿病等多種疾病的重要病理特征,例如動(dòng)脈粥樣硬化是一種以動(dòng)脈脂質(zhì)異常沉積為特征的常見疾病,而針對(duì)動(dòng)脈粥樣斑塊的高空間分辨熒光成像對(duì)于其病理研究具有重要價(jià)值。
近日,香港科技大學(xué)、華南理工大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)與南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院鄭磊教授,合作報(bào)道了一種能夠在脂相及水相通過單一波長激發(fā)同時(shí)發(fā)出雙色熒光的聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)探針(圖1),可特異性結(jié)合至動(dòng)脈粥樣斑塊,通過高分辨雙色熒光成像有效揭示其微觀病理結(jié)構(gòu)。
圖1 單一波長激發(fā)雙色熒光成像示意圖。
作者首先通過簡(jiǎn)單的Knoevenagel縮合反應(yīng)制備了熒光分子IND,該分子在THF溶液中的最大發(fā)射波長為526 nm,但在水含量為99%的THF和水的混合溶液中,最大發(fā)射波長紅移至639 nm且強(qiáng)度明顯增加(圖2a-d)。通過單晶結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),相鄰的兩個(gè)IND分子呈反向平行排列,通過π-π相互作用(3.558 Å)
形成了“二聚體”(圖2e-f),進(jìn)一步通過C-H...O相互作用將“二聚體”連接在一起。該“面對(duì)面”的二聚體排列方式,表明IND分子通過形成激基締合物(excimer)導(dǎo)致聚集態(tài)的發(fā)光明顯紅移,同時(shí)由于聚集態(tài)的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限,導(dǎo)致熒光明顯增強(qiáng)。
圖2 具有AIE性質(zhì)的IND分子的合成路線、吸收和發(fā)射光譜以及晶體堆積結(jié)構(gòu)。
作者進(jìn)一步考察了IND分子在脂相和水相中的發(fā)光行為。如圖3所示,在葵花籽油和水的混合物中,UV燈照射下,IND分子在上層的脂相發(fā)出明亮的綠色熒光,而在下層水相發(fā)出明亮的紅色熒光,兩者的最大發(fā)射波長相差108 nm,表明IND分子可在單一波長激發(fā)下,在脂相和水相中發(fā)出雙色熒光。這是由于IND分子在脂相中以單分子形式存在,而在水相中以“dimer”形式聚集。
圖3. IND分子在脂相和水相中的雙色熒光及分散方式示意圖。
作者進(jìn)一步利用IND分子染色泡沫細(xì)胞(一種常見于動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中富含脂滴的特征性病理細(xì)胞),并與傳統(tǒng)脂滴染料油紅O的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)IND分子的熒光信號(hào)與油紅O的信號(hào)分布高度一致,表明IND分子可以特異性染色細(xì)胞內(nèi)的富含脂類分子的脂滴(圖4a)。另外,作者通過雙光子激發(fā)(900 nm)的高分辨率熒光成像,發(fā)現(xiàn)泡沫細(xì)胞內(nèi)的脂滴含量與氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)的孵育濃度呈明顯地正相關(guān),并通過流式細(xì)胞分析進(jìn)行了證實(shí)(圖4b-d)。
圖4. IND分子特異性染色泡沫細(xì)胞中的脂滴。
作者進(jìn)一步考察了IND分子對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的特異性成像能力;谥鞍譋基因敲除(ApoE-/-)的小鼠,構(gòu)建了動(dòng)脈粥樣硬化的動(dòng)物模型,進(jìn)一步將分離得到的主動(dòng)脈通過IND分子染色1分鐘后,在UV燈照射下,發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈粥狀斑塊的富含脂質(zhì)區(qū)域發(fā)出明亮的綠色熒光,且與日光下血管內(nèi)壁上白色沉積區(qū)域一致(圖5a)。進(jìn)一步通過組織切片的HE染色證實(shí)了綠色熒光區(qū)域?yàn)閯?dòng)脈粥樣斑塊區(qū)域,表明IND可特異性染色動(dòng)脈粥樣斑塊。作者進(jìn)一步通過雙光子熒光顯微鏡觀察了動(dòng)脈粥樣斑塊的精細(xì)結(jié)構(gòu),在900 nm激光照射下可逐層觀察斑塊中不同深度且大小不等的脂質(zhì)區(qū),最高深度可達(dá)400 μm(圖5b-c)。另外,在動(dòng)脈粥狀斑塊周圍觀察到呈縱向波浪形平行排列的條紋結(jié)構(gòu)并發(fā)出綠色熒光,結(jié)合動(dòng)脈組織學(xué)分析,作者推測(cè)該綠色條紋為動(dòng)脈收縮導(dǎo)致的輕微隆起的微脂紋區(qū)。有趣的是,在綠色微脂紋條帶間可觀察到細(xì)小晶體構(gòu)成的紅色條狀熒光,與微脂紋區(qū)間隔平行排列,這可能是由于IND分子在動(dòng)脈內(nèi)層微皺褶內(nèi)的水相中析出紅色熒光晶體所致(圖5d-e)。以上結(jié)果表明IND分子可在單一波長的雙光子激發(fā)下同時(shí)實(shí)現(xiàn)脂質(zhì)區(qū)(綠色)/微皺褶區(qū)(紅色)的高分辨雙色熒光成像,有助于無損、原位、立體分析微觀動(dòng)脈粥樣斑塊結(jié)構(gòu),克服了傳統(tǒng)化學(xué)染料需逐層切片染色且操作復(fù)雜的缺陷,并擁有傳統(tǒng)染料無可比擬的高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)。
圖5. 針對(duì)ApoE基因敲除小鼠模型的主動(dòng)脈粥樣斑塊的雙色熒光成像。
在本研究中,作者構(gòu)建了一種具有AIE性質(zhì)的新型熒光探針I(yè)ND,具有單一波長激發(fā)雙色熒光成像的重要優(yōu)勢(shì)。IND分子可在脂質(zhì)中以單分子形式存在并發(fā)出明亮的綠色熒光,在水相中以“dimer”形式聚集并發(fā)出明亮的紅色熒光。這些獨(dú)特的性質(zhì)使得IND分子可同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈粥樣斑塊的脂質(zhì)區(qū)和微褶皺區(qū)的深層、雙色高分辨熒光成像,有助于動(dòng)脈粥樣斑塊的病理研究。該成果近期發(fā)表在Materials Horizons上,文章第一作者為南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院司徒博博士、華南理工大學(xué)的高蒙副研究員以及南方醫(yī)科大學(xué)碩士生何曉靜,通訊作者為唐本忠院士和鄭磊教授。
文章作者:Bo Situ, Meng Gao, Xiaojing He, Shiwu Li, Bairong He, Fengxia Guo, Chunmin Kang, Shan Liu, Lei Yang, Meijuan Jiang, Yanwei Hu, Ben Zhong Tang*, and Lei Zheng*
文章題目:A Two-Photon AIEgen for Simultaneous Dual-Color Imaging of Atherosclerotic Plaques
文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2014/MH/C8MH01293H?page=search
DOI:10.1039/C8MH01293H
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