AFM︱华东理工大学朱为宏院士/王琪课题组开发酶催化分子聚集探针并绘制衰老小鼠大脑中乙酰胆碱酯酶分布

学术   2025-01-20 00:02   上海  


撰文朱志荣

责编︱王思珍


乙酰胆碱ACh)是神经传递中的关键兴奋性神经递质,它通过与突触后膜受体结合,传递神经信号,调节神经元的兴奋性和抑制性。乙酰胆碱酯酶AChE)是一种特异性酶,能高效水解乙酰胆碱,保障神经冲动在突触间的正常传导。然而,当乙酰胆碱酯酶(AChE)出现过度表达时,会导致乙酰胆碱(ACh)水平降低,进而可能引发抑郁症、神经胶质瘤和阿尔茨海默病等多种神经疾病。值得注意的是,衰老可能是导致乙酰胆碱酯酶(AChE)活性改变的重要因素之一。因此,对整个大脑中乙酰胆碱酯酶(AChE)分布情况的可视化,对于深入理解神经退行性疾病,尤其是与衰老相关的疾病,具有极其重要的意义。


近期,华东理工大学朱为宏院士与王琪教授领导的课题组,与复旦大学医学院曹露医生合作在Advanced Functional Materials杂志上在线发表了一篇题为“Enzyme-Mediated in-situ Self-Assembly AIE Probes: Mapping the Distribution of Acetylcholinesterase in Aging Mice Brain” 的研究论文,论文第一作者为华东理工大学朱志荣博士。该研究提出了一种聚集态-荧光量子产率双重调控策略,成功构建了乙酰胆碱酯酶(AChE)激活型荧光探针AChE-QM-2,并利用这一探针,首次实现了对衰老小鼠颅内乙酰胆碱酯酶(AChE)分布的精确绘制。


目前,激活型聚集诱导发光(AIE)探针的设计策略通常侧重于提高探针在水溶液中的分散性,以实现初始荧光关闭状态。然而,在复杂的生物环境中,这些探针在激活前可能会发生不良聚集,从而产生错误信号为解决这一挑战,研究人员提出了一种双调控策略,即同时调控分散性和荧光量子产率Φf,以降低背景信号并提高检测信噪比(图 1。通过在AIE母体喹啉腈(QM)上引入吡啶结构,利用吡啶的离子化与去离子化,实现对分子水溶液分散性及荧光量子产率的调控:离子化提高溶解性、降低荧光量子产率;反之,去离子化降低溶解性,提升荧光量子产率。在此基础上,通过引入自切除基团和AChE特异性响应单元(二甲氨基甲酸酯),实现了对AChE的高性能激活型成像。此外,研究人员还通过设计不同的供电子单元(EDGs)来提高探针的响应性能,并将波长拓展至近红外区域,最终成功构建了AChE特异性响应的近红外探针AChE-QM-2

1 用于乙酰胆碱酯酶检测的近红外聚集诱导发光探针AChE-QM-2


作者通过荧光光谱、质谱及分子对接等实验在体外验证了探针AChE-QM-2的响应性能、机理、选择性及可能的结合方式(图2结果表明探针AChE-QM-2可以被AChE特异性切断,具有优异的选择性。

2 AChE酶激活AChE-QM-2探针的聚集诱导发光荧光信号


进一步地,作者深入研究了探针在响应前后的细胞摄取性能。研究结果显示,探针AChE-QM-2能够有效穿透细胞膜(图3ab,并且监测细胞内乙酰胆碱酯酶(AChE)的动态变化(图3cd

3 AChE-QM-2探针高效穿透细胞膜并有效响应细胞内乙酰胆碱酯酶


最终,借助光片显微镜成像技术,作者成功绘制了衰老小鼠(SAMP8)和正常小鼠(8BC)颅内AChE的三维分布图(图4。通过对每一层鼠脑切片的详细分析,研究发现衰老小鼠颅内AChE的含量明显高于正常小鼠,这一发现为理解衰老相关神经退行性疾病的病理机制提供了重要线索。

4 SAMP88BC小鼠脑内乙酰胆碱酯酶分布空间可视化


文章结论与讨论,启发与展望

这项开创性的工作首次提出了聚集态-荧光量子产率双重调控的分子设计策略。通过开发一种AIE可激活探针AChE-QM-2,并将其与光片显微镜技术相结合,研究人员成功实现了对衰老小鼠全脑乙酰胆碱酯酶分布的空间成像。这一成果不仅为脑相关疾病,尤其是神经退行性疾病的诊断提供了极具前景的工具,还为开发高保真新型生物检测探针提供了新的思路和见解。尽管AIE荧光成像具有高保真度和精准度,考虑到单一成像方式的局限性,将AIE探针与临床成像技术(如正电子发射计算机断层扫描(PET)和磁共振成像(MRI))相结合,有望在疾病诊断、肿瘤治疗和多模态精确无损成像方面取得突破。


原文链接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202425074

华东理工大学朱为宏院士、王琪教授,复旦大学医学院曹露医生为该论文通讯作者,华东理工大学博士后朱志荣(现南京师范大学青年教师)为该论文第一作者。该工作得到了国家重点研发、国家自然科学基金基础科学中心、国家优秀青年基金、国家自然科学基金青年基金、上海市面上基金及中国博士后面上基金项目的支持。

 

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