用于体内成像 Aβ 斑块动态的极性响应荧光寿命探针：揭示光生物调节（PBM）诱导的 Aβ 极性逆转及对阿尔茨海默病研究的重要意义

推荐阅读！本文研发了极性敏感荧光寿命探针 SiR-Aβ，可跨血脑屏障（BBB）监测 Aβ 斑块极性。研究发现 40Hz 的 PBM 能逆转 Aβ 斑块极性，且早于斑块清除。这为探究 PBM 治疗阿尔茨海默病（AD）机制提供新视角，有望助力 AD 早期诊断与治疗评估。

　　### 研究背景
阿尔茨海默病（AD）是一种常见的神经退行性疾病，其主要病理特征包括淀粉样 β 蛋白（Aβ）异常聚集形成的斑块和神经原纤维缠结。目前，AD 的确切发病机制尚未完全明确，但促进 Aβ 清除已成为 AD 治疗研发的核心方向。光生物调节（PBM）作为一种新兴的非侵入性治疗方法，通过将组织暴露于可见光或近红外光（400–1,100nm）产生非热生物效应，在改善脑功能方面展现出潜力，可能有助于减轻 AD 症状。然而，PBM 在 Aβ 斑块清除前对其理化性质的影响仍不明确。

SiR-Aβ 探针的设计与特性

研究人员开发了一种名为硅罗丹明 - Aβ（SiR-Aβ）的极性敏感荧光寿命探针，专门用于在 PBM 过程中对 Aβ 斑块内的极性变化进行体内动态监测。SiR-Aβ 的设计采用了三种关键策略：一是以硅罗丹明（SiR）为染料基质，利用其强溶剂化效应增强极性敏感性；二是引入噻吩桥基团作为通用的 Aβ 标记部分，通过扭曲分子内电荷转移（TICT）效应实现对 Aβ 斑块的选择性标记，并激活荧光 “关闭 - 开启” 开关；三是优化分子的亲脂性，借助噻吩基团帮助其有效穿越血脑屏障（BBB）。

该探针具有出色的溶解性和光稳定性，对环境极性表现出极高的敏感性，在低极性环境中荧光寿命显著增加。通过理论计算、分子对接模拟等手段，深入研究了 SiR-Aβ 与 Aβ 斑块的结合动力学，结果表明其与 Aβ 蛋白存在强疏水相互作用，具有高度的选择性和结合强度。同时，SiR-Aβ 对 Aβ 斑块的结合亲和力通过荧光饱和结合分析确定，其解离常数（K_D）为 442.72nM，并且与潜在干扰物共同孵育时，荧光无明显变化，进一步证实了其高选择性。

SiR-Aβ 探针的性能评估

1. 体外标记效率和 BBB 通透性：在体外实验中，随着 Aβ_1-42肽聚集形成纤维和斑块，SiR-Aβ 的荧光寿命逐渐增加，当斑块体积达到临界阈值后，荧光寿命趋于稳定。这表明 Aβ 聚集会显著改变内部极性环境。与商业化的 Aβ 斑块标记试剂甲氧基 - X04 相比，SiR-Aβ 在标记 AD 小鼠脑切片中的 Aβ 斑块时表现出相似的荧光分布和强度。通过建立体外 BBB 模型，研究发现 SiR-Aβ 的通透性在 60 分钟时达到 18.6%，超过了甲氧基 - X04 的 11.2%。此外，SiR-Aβ 的 log P 值为 4.01，log D 值在 pH7.4 时也为 4.01，极性表面积为 9.49?，这些参数均表明其具有良好的 BBB 穿透潜力，能够成功标记大脑中的 Aβ 斑块。
2. 体内标记效率和 BBB 通透性：为了评估 SiR-Aβ 在体内的性能，研究人员开发了一种自制的多模态显微镜，用于对 8 月龄 AD 小鼠（APP/PS1）和野生型 C57 小鼠进行成像。静脉注射 SiR-Aβ 后，AD 小鼠大脑中的荧光信号随时间逐渐增强，而野生型小鼠荧光强度较低。通过共聚焦成像和免疫染色进一步证实，SiR-Aβ 能够有效标记 AD 小鼠大脑中的 Aβ 斑块，且与甲氧基 - X04 的荧光信号高度重叠。同时，组织学染色和细胞增殖实验表明，SiR-Aβ 具有良好的生物相容性，在体内主要积累于大脑，对其他器官影响较小。
3. AD 小鼠体内 Aβ 斑块极性的成像：通过在小鼠颅骨上植入颅窗，利用荧光寿命成像显微镜（FLIM）对不同年龄 AD 小鼠的 Aβ 斑块进行监测。结果发现，随着年龄增长，Aβ 斑块的数量和大小不断增加，平均荧光寿命也逐渐延长，但 5 月龄和 8 月龄小鼠的荧光寿命无显著差异。同时，通过分析内源性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的荧光寿命变化，发现 AD 进展过程中，大脑中游离 NADH 水平下降，结合态 NADH 水平上升，二者比值降低。此外，Aβ 斑块具有显著的异质性，不同位置和大小的斑块荧光寿命存在差异，如血管周围的斑块荧光寿命较长。

PBM 治疗过程中 Aβ 斑块极性变化的监测

PBM 是一种通过特定波长光调节细胞活性的非侵入性治疗技术，其机制包括调节线粒体功能、释放一氧化氮、调节基因表达等，对细胞增殖、分化、信号传导和免疫反应等均有影响。在 AD 小鼠模型中，研究发现 40Hz 可见光刺激的 PBM 治疗能够有效清除大脑中的 Aβ 斑块，改善小鼠的行为学表现，如在 Morris 水迷宫实验中，治疗组小鼠在目标象限停留的时间更长，到达平台的速度更快。

通过体内双光子 FLIM 和体外脑切片分析发现，PBM 治疗导致 Aβ 斑块的荧光寿命显著降低，表明其内部极性发生逆转。尽管大的 Aβ 斑块可能不会被完全清除，但 PBM 能够诱导斑块内部结构发生有益变化，且这种极性逆转在所有脑区均有发生。

研究讨论

PBM 在缓解 AD 症状方面具有潜力，但现有机制无法完全解释 Aβ 斑块清除前的动态变化。Aβ 斑块的聚集与极性变化密切相关，监测斑块极性变化有助于了解治疗效果和斑块清除机制。目前用于 Aβ 成像的荧光探针存在局限性，而极性响应的 FLIM 为监测斑块极性变化提供了更可靠的方法。

本研究中，SiR-Aβ 探针在监测 Aβ 斑块极性变化方面表现出色，其荧光寿命随 AD 进展而增加，在 PBM 治疗后发生逆转。然而，Aβ 斑块极性逆转在斑块清除中的具体作用仍不明确，未来研究将聚焦于阐明 PBM 诱导 Aβ 斑块极性变化的分子机制。

研究结论

本研究成功开发了 SiR-Aβ 荧光寿命探针，用于动态监测 AD 转基因小鼠体内 Aβ 斑块极性。研究发现 PBM 诱导的 Aβ 斑块极性逆转可能与减少 Aβ 斑块负担和改善行为学表现相关，为 Aβ 清除机制提供了新的视角，为 AD 治疗策略的开发提供了新方向。