一、研究背景
一氧化氮（NO）是一种关键的生物信号分子，对各种生理功能至关重要。NO由内皮（eNOS）、神经元（nNOS）和诱导型（iNOS）三种不同的一氧化氮合酶（NOSs）合成，是心脑血管血流动力学中的关键介质。它调节血流，维持细胞活力，保护心肌和神经细胞免受缺血性、创伤性和出血性损伤。NO信号传导的异常与多种重大疾病相关，包括心脑血管疾病、神经退行性疾病、肝炎、糖尿病和各种癌症。NO在生理和病理过程中的作用多样，包括调节血管扩张、血压调节、免疫反应、神经传递、炎症和激素活动等。重要的是，其生理和病理影响呈现浓度相关性。NO在癌症中表现出剂量相关性作用：低浓度时，可通过促进血管生成和转移来促进肿瘤进展，而高浓度时，则可通过细胞毒性作用抑制生长。在肝脏生理学中，eNOS产生的NO有助于维持肝脏稳态、抗炎和预防纤维化，而上调iNOS导致的过量NO过量可能引起肝细胞凋亡、炎症，甚至癌症。因此，精确测量生物组织中的NO对于理解其复杂作用、开发靶向治疗和评估治疗效果至关重要，尤其是在免疫治疗中。
然而，准确测量生物体内的NO水平仍然是一个重大挑战。传统定量试剂盒难以可靠地测量体内NO，电流测定法虽然灵敏度高，但其侵入性和对局部测量的局限性限制了其应用。非侵入性成像技术，如荧光、光声和余辉成像，有助于NO检测，但组织穿透不足，限制了它们在全身成像和深层组织评估中的应用。电子顺磁共振成像虽能使用自旋捕获试剂在体内检测NO，但灵敏度不足，难以进行动态监测。磁共振成像（MRI）提供高空间分辨率和无电离辐射的深层组织穿透，使其适用于疾病诊断和监测。用于NO检测的MRI探头旨在克服现有技术的局限性，主要分为两类：配位调节顺磁探头和聚集调节超顺磁探头。配位调节顺磁探针面临信号强度弱和响应范围窄的问题，难以灵敏地检测微小NO变化。而聚集调节超顺磁性纳米探针依赖于电荷反转来影响MRI信号强度，但易受生理离子和蛋白质干扰，从而在复杂的生物环境中稳定性和可靠性面临挑战。
二、研究成果
近日，湖南大学宋国胜教授和张晓兵教授合作报道了一种由交联超顺磁性氧化铁纳米颗粒制成的NO响应磁探针，与NO敏感的可切割接头相连，用于体内高灵敏度和选择性的NO磁共振成像。这些探针能够检测浓度低至0.147μM的NO，使得能够在小鼠肿瘤模型中对NO进行成像和定量，研究其对肿瘤进展和免疫反应的影响，并评估肿瘤相关巨噬细胞对癌症免疫治疗剂的反应。此外，它们还促进了器官的并行解剖和分子成像，有助于识别肝脏等器官的病理变化。总的来说，这些探针代表了一种有前景的非侵入性工具，用于研究NO在生理和病理生理过程中剂量相关性冲突作用。相关研究工作以“Responsive probes for in vivo magnetic resonance imaging of nitric oxide”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。
三、研究内容
这项研究开发了一种新型的NO响应磁探针（NRMP），旨在实现高灵敏度和高选择性的NO检测。NRMP由交联的超顺磁性氧化铁纳米颗粒组成，通过与NO敏感的可切割接头连接，并经过聚乙二醇化（PEG，聚乙二醇）以增强生物相容性。NO相互作用会触发接头切割，引起探针膨胀和纳米粒子分离增加，进而降低磁化率和偶极-偶极相互作用，导致自旋-自旋弛豫时间显著下降，横向弛豫时间（T2）MRI信号放大。NRMP显示了36.4mM-1·s-1的横向弛豫位移（Δr2），将检测范围扩展至50μM，检测到的NO低至0.147μM，灵敏度远超传统顺磁探针。
这一进步不仅提升了图像对比度和体内成像的信噪比，而且NRMP因其出色的选择性和抗生物干扰性，在复杂的生物系统中能够准确区分NO和背景信号，超过了传统聚集调节型超顺磁探针的性能。NRMP提供了一种非侵入性的实时监测工具，用于评估肿瘤微环境和其他病理中的NO水平，通过将MRI信号与NO浓度关联，实现全身NO的定量分析。这项技术不仅有助于深入理解NO在肿瘤生物学中的多方面作用，包括肿瘤免疫微环境、血管生成和肿瘤生长，而且在药物发现和治疗监测中具有潜在应用，特别是在肿瘤学中。
NRMP优越的磁响应、敏感性、稳定性和生物相容性，结合其在肿瘤中的积聚能力，有望彻底改变NO对生物分子影响的体内研究，有助于揭开其在各种疾病中模糊和相互冲突的作用。此外，该探针精确定量NO的能力将在跟踪基于NO输送的治疗效果、预测治疗结果和优化治疗方法方面将发挥重要作用。
图1. NRMP的结构和响应性能
图2. NRMP在体内成像NO的疗效
图3. 研究NO对肿瘤免疫和生长的剂量相关性影响
图4. 使用NRMP筛选巨噬细胞介导的免疫治疗药物
图5. 肝脏病理生理学中NO的成像
四、结论与展望
这项研究开发了一种用于体内NO检测的响应磁探针（NRMP），具有高灵敏度和特异性。它在监测NO的显著变化、防止信号饱和以及提供精确测量方面表现出色。NRMP对于研究NO在肿瘤中的复杂生理和病理作用具有重要价值，有助于指导靶向治疗策略。除了肿瘤分析，它还绘制了生物体中NO的动态图，这对肝损伤等疾病具有重要意义。此外，NRMP也为心血管研究开辟了道路，为NO在心脑血管疾病进展和治疗反应中的多方面作用和剂量相关性影响提供了潜在的见解。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02054-0
