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为解决设计高灵敏、高选择性检测癌细胞中过表达 NTR 的成像探针这一难题，研究人员设计合成荧光探针 PNO（含 4 - 硝基 - 1,8 - 萘酐和硼酸酯基团）。其对 NTR 检测限达 0.543 ng/mL，能动态成像细胞内 NTR 及缺氧水平，为肿瘤诊疗提供新策略。
论文解读
在肿瘤研究的浩瀚领域中，缺氧如同隐藏在癌细胞背后的 “神秘推手”，深刻影响着肿瘤的生长、侵袭与治疗抵抗。作为众多实体肿瘤的典型特征，缺氧环境不仅能激活缺氧诱导因子（HIFs），还与自噬、凋亡、代谢等多条信号通路紧密交织，形成复杂的调控网络。然而，现有的缺氧监测手段，如氧电极法、血氧水平依赖磁共振成像等，大多难以实现对活细胞内缺氧动态变化的实时追踪，如同在黑暗中摸索，难以精准捕捉那转瞬即逝的生理信号。开发一种高灵敏度、高选择性的工具，实时监测肿瘤细胞内的缺氧状态及相关生物标志物，成为了亟待突破的科学难题。
在这样的背景下，国内研究人员（因文中致谢提及 “中央引导地方科技发展专项资金”“山西省研究生教育创新项目”，推测为国内科研团队）聚焦于硝基还原酶（NTR）这一关键靶点，开展了一项极具创新性的研究。NTR 作为肿瘤缺氧微环境的重要生物标志物，能在 NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，还原型）存在下，将硝基芳烃还原为芳香羟胺 / 氨基化合物。但传统的 NTR 荧光探针灵敏度较低，且尚未有通过促进 NADH 电子转移来提升催化性能的设计策略。研究团队设计并合成了一种新型超灵敏荧光探针 PNO（由 4 - 硝基 - 1,8 - 萘酐和硼酸酯基团组成），旨在通过硼酸酯与 NADH 的结合增强电子传递效率，从而提升对 NTR 的检测性能。该研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics》，为肿瘤诊断与治疗提供了新的视角与工具。
主要关键技术方法
研究主要采用了以下技术方法：
- 分子合成：设计合成探针 PNO（含硼酸酯基团）及对照探针 CNO（不含硼酸酯基团）。
- 光谱分析：通过紫外 - 可见吸收光谱和荧光光谱，研究探针与 NTR 的响应特性，测定检测限、米氏常数（Km）和最大反应速率（Vmax）等参数。
- 细胞成像：利用 A549 细胞（人非小细胞肺癌细胞）进行体外成像实验，观察探针在不同生理过程（如自噬、凋亡、HIF-1α 信号通路激活 / 抑制）中对 NTR 和缺氧水平的动态监测能力。
- 分子对接：通过分子对接技术分析探针与 NTR 的结合能，探究硼酸酯基团对结合能力及产物释放效率的影响。
研究结果
探针的设计与合成
研究团队成功合成了探针 PNO 和 CNO。PNO 的结构中，4 - 硝基基团作为 NTR 反应位点，硼酸酯基团则预期通过与 NADH 结合增强催化效率并改善脂溶性。对照探针 CNO 仅含 4 - 硝基 - 1,8 - 萘酐基团，未修饰硼酸酯。
探针的性能表征
紫外 - 可见吸收和荧光光谱研究表明，PNO 对 NTR 表现出超灵敏响应，检测限（DL）低至 0.543 ng/mL，且选择性优异。与 CNO 相比，PNO 对 NTR 具有更高的亲和力和更快的酶促反应速率，其Km为 6.199 μM，Vmax为 1.641 μM?s-1。分子对接结果显示，PNO 与 NTR 的结合能略低于 CNO，但 PNO 的还原中间体和产物更易从 NTR 释放，从而加速了催化反应速率。此外，PNO 具有高稳定性和低细胞毒性，为其在细胞内的应用奠定了基础。
细胞内 NTR 和缺氧水平的动态成像
PNO 能够灵敏地成像 A549 细胞内源性 NTR 在多种生理过程中的波动。研究发现，在缺氧、自噬、早期凋亡及 CoCl2介导的 HIF-1α 信号通路激活过程中，细胞内 NTR 水平升高；而在晚期凋亡及药物介导的 HIF-1α 信号通路抑制过程中，NTR 水平降低。这一结果揭示了 NTR 与肿瘤细胞生理活动的紧密联系，也验证了 PNO 在动态监测细胞内环境变化中的强大能力。
研究结论与意义
本研究开发的荧光探针 PNO 通过硼酸酯基团与 NADH 的结合，显著提升了 NTR 催化反应的效率，实现了对 NTR 的超灵敏检测和肿瘤细胞内缺氧微环境的动态成像。其低检测限、高选择性和良好的生物相容性，为实时监测肿瘤细胞内的生理过程提供了有力工具。研究结果不仅揭示了 NTR 在缺氧、自噬、凋亡及 HIF-1α 信号通路中的动态变化规律，还为肿瘤的早期诊断、治疗效果评估及作用机制研究开辟了新途径。未来，这种基于硼酸盐的设计策略有望为开发更多高灵敏度生物标志物探针提供借鉴，推动肿瘤精准诊疗的发展。
