英文原题：Water-Soluble Fluorescent Sensors for Quantification of Trace Cisplatin in Body Fluids from Clinical Cancer Patients
通讯作者：李剑利、刘萍 西北大学（中国/西安）
作者：Zifeng Cao (曹自峰), Rong Yan (闫融), Jiao Chen (陈娇), Mengyao She (厍梦尧), Shanshan Jia (贾珊珊), Wei Sun (孙伟), Ping Liu (刘萍), Shengyong Zhang (张生勇), and Jian-Li Li (李剑利)
近期，西北大学(中国西安)李剑利教授和刘萍教授团队在顺铂药物检测方面取得重要进展。该研究构建了顺铂激活型水溶性荧光传感器，实现了对临床癌症患者体液中顺铂的定量检测，研究论文以“Water-Soluble Fluorescent Sensors for Quantification of Trace Cisplatin in Body Fluids from Clinical Cancer Patients”为题，发表于Journal of the American Chemical Society期刊，并被ACS编辑团队精选为ACS Editors' Choice文章（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10460）。
文章简述
癌症患者体液（血液、尿液和腹水等）顺铂浓度的实时量化，对于监控治疗过程、评估药物代谢和优化治疗方案至关重要，现阶段临床常用的大型仪器检测技术却难以满足多元化实时检测需求。近年来，新兴的荧光传感检测技术在操作便捷性和结果时效性方面优势突出，有望突破癌症患者体液顺铂含量实时检测的技术壁垒。然而，体液样本固有的复杂性和低顺铂浓度，对荧光传感器检测性能提出新的挑战：高水溶性、高特异性、高灵敏度。西北大学李剑利教授和刘萍教授团队利用铂的亲硫性，创新设计系列不同硫醚取代的氧杂蒽类分子，优选顺铂激活型高水溶性荧光传感器Rh3和Rh4，通过荧光成像分析，实现对活细胞、组织及斑马鱼中顺铂含量的可视化监测；经过简单的样品预处理步骤，首次实现临床卵巢癌和膀胱癌患者多种体液中顺铂的定量检测，测试结果与ICP-MS仪器检测结果一致。该研究为临床体液样本检测开辟了新途径，具有革新临床顺铂检测技术的转化潜力。
背景介绍
顺铂（Cisplatin, cDDP）作为临床广泛使用的化疗药物，通过破坏DNA合成和复制来抑制肿瘤的生长和转移，对卵巢癌、前列腺癌和肺癌等多种癌症有效。然而，cDDP与非癌细胞DNA的结合，导致治疗时出现不良反应；由于患者存在个体差异，若用药剂量不当，顺铂在体内快速代谢或过度积累，则出现治疗效果不佳或毒副作用加剧等问题。在临床实践中，缓解毒副作用是通过补充液体、分次给药和制定个体化治疗方案等策略来调节体液cDDP浓度。因此，实时监测患者体液中cDDP浓度，对于监控治疗过程、评估药物代谢、调整用药方案以及平衡cDDP治疗的安全性和有效性具有重要科学意义。
体液因其转运特性和易采集性，成为药物的重要载体。体液检测有助于了解身体的生理和病理状态，在临床诊疗中广泛应用。目前定量体液cDDP浓度的常用方法包括高效液相色谱法（HPLC）、原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电化学方法等。然而，这些方法在简单、方便和实时监测方面存在局限性，如ICP-MS方法虽然具有较高的灵敏度和准确性，但样品制备过程复杂，仪器昂贵且易被污染，需要专业的操作人员。这些苛刻的特殊要求极大的限制了临床对cDDP即时化检测需求，亟需开发更便捷、更灵敏的实时检测新工具，优化临床场景下体液cDDP监测新方案。
荧光传感器是分析生物样本的重要工具，因其高特异性、快速响应等特性，在荧光成像、药物筛选和医学诊疗等方面具有优异的临床前景。针对临床体液顺铂检测的需求，西北大学李剑利教授和刘萍教授团队利用铂的亲硫性，通过修饰硫醚的取代基来调节识别单元的空间位阻和电子效应，构建了系列高水溶性荧光传感器Rh1−6。其中，Rh3和Rh4对水溶液中的cDDP响应性能最佳，激活型荧光信号显著，在水相中识别特异性强、信背比高、灵敏度高、稳定性良好。这些优异的光学性能赋予Rh3和Rh4极大的应用潜力，实现活细胞、组织及斑马鱼中的cDDP成像分析，并成功应用于临床卵巢癌和膀胱癌患者体液（血液、尿液和腹水）中cDDP的定量检测。
图1. 用于检测顺铂的氧杂蒽类荧光传感器构建（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
结果讨论
1.荧光传感器构建与光学性质
以氧杂蒽为荧光骨架，通过修饰硫醚基团的取代基调节识别基团的电子效应和空间位阻，构建了基于光诱导电子转移机制荧光传感器Rh1-6；通过经典的有机化学基元反应合成了Rh1-6，利用核磁和高分辨质谱对Rh1-6的化学结构进行了表征确认；
Rh3和Rh4的水溶性好、背景信号低，在水相中对cDDP展现出优异的识别特异性，荧光信号分别增强80倍和120倍；Rh3和Rh4对0-200 μM cDDP呈现良好的线性关系，检测限低至71 nM和47 nM，具有较高的灵敏度；此外，Rh3和Rh4具有优异的pH稳定性、光稳定性和存储稳定性。
图2. 荧光传感器结构及光物理性质（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
2.识别机理研究
高分辨质谱和Job’s实验表明Rh3/Rh4与Pt物种以1:1络合，进一步利用高分辨率XPS和理论计算，推断出Rh3/Rh4与cDDP在水溶液中可能的结合方式；理论计算结果表明荧光传感器结合铂前后符合光诱导电子转移（PET）机制。
图3. 荧光传感器识别机理及试纸条检测（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
3.体内外应用
将Rh3和Rh4制备成比色试纸条，实现对不同浓度cDDP溶液的荧光比色检测，展现出数字化智能检测潜力；
共聚焦成像实验表明，Rh3和Rh4能够对活细胞、大鼠组织和斑马鱼中不同水平的cDDP进行荧光成像。
图4. 荧光传感器在活细胞、组织及斑马鱼中的荧光成像（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
利用Rh3和Rh4对大鼠的血液和尿液中cDDP的药代动力学进行研究，实验结果可以看出，随着时间推移，血液荧光强度逐渐升高，而尿液中的cDDP先升高后降低，表明Rh3和Rh4具有体液样本检测潜力；
利用Rh3和Rh4建立了血液、尿液和腹水样本中cDDP检测标椎曲线，其荧光强度与cDDP浓度正相关，且线性相关度良好。
图5. 大鼠体液中顺铂药代动力学及检测人体液中顺铂的标准曲线（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
利用Rh3和Rh4对临床卵巢癌和膀胱癌患者体液中cDDP的进行定量检测，检测结果与ICP-MS结果一致，表明传感器Rh3和Rh4具有临床应用潜力。
图6. 临床癌症患者体液中顺铂含量检测（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
总结/展望
该研究基于铂的亲硫性，设计了新型cDDP识别单元，构建了系列氧杂蒽类高水溶性荧光传感器Rh1−6。其中，光诱导电子转移（PET）机制的Rh3和Rh4对cDDP表现出优异的激活型荧光信号和高灵敏度，实现了活细胞、组织和斑马鱼中cDDP的可视化监测；首次实现对去蛋白化预处理的临床肿瘤患者各种体液（血液、尿液和腹水）中cDDP定量检测，并通过ICP-MS验证了荧光传感器Rh3和Rh4对患者体液中cDDP定量结果的可靠性和准确性。该研究将为临床cDDP水平监测提供便捷、准确、高效的新工具，从而有效指导个体化cDDP治疗方案，具有很好的临床转化应用潜力。
相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society期刊，并入选ACS Editors' Choice合集，同时在美国化学会网站作为头条文章展示。该论文共同第一作者是西北大学博士研究生曹自峰、西安交通大学第一附属医院闫融和西北大学师资博士后陈娇，通讯作者是西北大学李剑利教授和刘萍教授。感谢国家自然科学基金、陕西省“三秦英才”特殊支持计划科技创新领军人才、陕西省重点创新团队、陕西省青年科技新星等项目及西安市光功能分子材料与诊疗重点实验室等科研平台的支持。
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J. Am. Chem. Soc. 2024, ASAP
Publication Date: November 28, 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c10460
© 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Erick M. Carreira
ETH Zürich
Journal of the American Chemical Society（JACS）创刊于1879年，是美国化学会的旗舰期刊，也是世界上所有化学和科学交叉领域的世界杰出期刊。该期刊致力于发表基础研究论文，每年出版约19,000页的文章、通讯和展望文章。JACS每周出版，发表化学领域的重要研究。
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