T1WI-SWI双模磁共振纳米探针在早期阿尔茨海默病精准诊断中的应用

《Advanced Science》：T1WI-SWI Dual Modal Magnetic Resonance Nanoprobes for Accurate Diagnosis of Early Stage Alzheimer's Disease

早期阿尔茨海默病（AD）病理变化的非侵入性诊断策略，基于BACE1激活的MRET效应和Aβ斑块介导的SWI信号增强，设计多功能磁共振纳米探针实现BACE1动态监测和Aβ斑块高灵敏度成像。

　　在阿尔茨海默病（AD）的早期诊断领域，研究者们一直在探索更加精准、无创和敏感的成像技术。近年来，随着生物医学成像技术的不断进步，科学家们开发出一种新型的磁共振成像（MRI）纳米探针，名为Ab-MZF@DMSA/Gd，它能够同时检测AD早期的关键分子标志物——β-分泌酶1（BACE1）和β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块。这种探针结合了磁共振调谐（MRET）和磁敏感加权成像（SWI）的优势，能够在AD早期阶段对BACE1和Aβ斑块进行精确识别和可视化，为AD的早期诊断提供了新的思路和工具。

BACE1是β-淀粉样蛋白生成过程中的关键限速酶，其在AD病理过程中扮演着重要角色。它在Aβ沉积之前就已经开始活动，并且与从轻度认知障碍（MCI）向AD的进展密切相关。因此，能够准确检测BACE1水平的探针对于AD的早期干预具有重要意义。然而，传统的检测方法多依赖于荧光探针，这些方法在临床应用中存在一定的局限性，如灵敏度不足、组织穿透能力差等。而MRI作为一种高分辨率的成像技术，其软组织对比度和无创性使其成为AD研究中的重要工具。然而，传统MRI探针在检测早期Aβ斑块时存在灵敏度低和背景干扰大的问题，这使得它们难以用于AD的早期诊断。

为了克服这些挑战，研究人员设计了一种智能响应型MRI纳米探针，该探针不仅能够检测BACE1，还能在Aβ斑块存在时增强其检测能力。该探针的核心是Mn_0.6Zn_0.4Fe₂O₄磁性纳米颗粒，这种材料相比传统的Fe₃O₄超顺磁性颗粒具有更高的磁化率，从而提升了磁敏感度。为了实现探针的智能响应，研究人员在纳米颗粒表面引入了BACE1底物肽EVNL-DAEFRHDSGYK，当BACE1存在时，该底物会被特异性切割，导致纳米颗粒中的T1淬灭剂（MZF@DMSA）和T1增强剂（Gd-DTPA）分离，从而激活MRET效应，增强T1加权成像（T1WI）信号。此外，该探针还结合了对AD微环境中过氧化亚硝基（ONOO^?）的响应能力。当Aβ斑块存在时，纳米探针会在ONOO^?的作用下发生硫醇基团的交联反应，导致探针聚集，从而增强磁敏感性，提升SWI信号的强度。这种双通道的成像方式使得Ab-MZF@DMSA/Gd能够在AD早期阶段同时反映BACE1水平和Aβ斑块的分布情况，从而实现更全面的病理分析。

该探针的设计还考虑了血脑屏障（BBB）穿透能力的问题。通过在纳米颗粒表面修饰KLVFFAED肽（Ab肽），探针能够主动靶向AD病变区域，同时穿透BBB。这一设计使得探针能够有效地进入大脑组织，并在病变区域富集，从而提高了其对Aβ斑块的检测效率。此外，为了确保探针的安全性和生物相容性，研究人员还进行了体外和体内实验，评估其对主要器官的分布情况以及是否会引起毒性反应。结果显示，Ab-MZF@DMSA/Gd在体内具有良好的代谢特性，其在肝脏和脾脏中的聚集在24小时后达到峰值，但随后逐渐被代谢，且在96小时后在脑组织中的铁和钆浓度均低于安全阈值，表明该探针具有较低的毒性。

在体外实验中，研究人员通过透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）等手段评估了Ab-MZF@DMSA/Gd的理化性质和响应特性。结果显示，该探针在BACE1存在时能够有效释放钆离子，从而增强T1WI信号；而在ONOO^?存在时，探针会发生聚集，增强磁敏感性，从而提升SWI信号。这些实验进一步验证了探针的双功能特性，即同时具备对BACE1和Aβ斑块的检测能力。此外，体外实验还显示，Ab-MZF@DMSA/Gd在不同浓度的BACE1和ONOO^?环境下均表现出良好的响应性和特异性，且对其他蛋白酶（如caspase-3、GGT、GSH等）具有较高的稳定性，说明其对BACE1的检测具有高度的选择性。

在动物实验中，研究人员将Ab-MZF@DMSA/Gd注射入AD小鼠体内，并通过MRI技术评估其在体内的分布情况。结果表明，该探针能够有效穿透BBB并在脑组织中富集，尤其在12周龄的AD小鼠中，其在大脑皮层、丘脑和海马区的T1WI信号显著增强，这与这些区域BACE1水平的升高相吻合。同时，SWI图像显示，Aβ斑块的存在使得探针发生聚集，从而增强了磁敏感性，使得斑块的检测更加清晰和敏感。这些结果进一步证明了Ab-MZF@DMSA/Gd在AD早期诊断中的应用潜力。

此外，为了验证该探针在AD诊断中的临床价值，研究人员还进行了行为学测试，如Morris水迷宫实验。结果显示，无论是4周龄还是12周龄的AD小鼠，其空间学习和记忆能力均未受到显著影响，这表明探针的使用并未对小鼠的正常行为产生干扰。同时，结合病理分析，Ab-MZF@DMSA/Gd能够准确识别AD小鼠大脑中的BACE1和Aβ斑块，从而为AD的早期干预提供了重要的影像学依据。

综上所述，Ab-MZF@DMSA/Gd是一种具有高度灵敏性和特异性的智能响应型MRI纳米探针，它能够同时检测AD早期的两个关键病理标志物——BACE1和Aβ斑块。这种探针不仅克服了传统MRI探针在检测早期Aβ斑块时的局限性，还提供了对BACE1水平的实时监测能力。其设计结合了MRET和SWI的优势，能够实现对AD病理变化的多维度分析。更重要的是，该探针具有良好的生物相容性和低毒性，能够在体内安全代谢，为AD的无创诊断和监测提供了一种新的方法。这一研究为AD的早期诊断和干预提供了重要的技术支撑，具有广阔的应用前景。