用于非酒精性脂肪肝病中黏度和极性成像的双响应荧光探针

《Smart Molecules》：A dual-responsive fluorescent probe for imaging viscosity and polarity in nonalcoholic fatty liver disease

　　

黏度与极性是与非酒精性脂肪肝病（NAFLD）发生和进展密切相关的关键生理参数。实时监测其动态变化对NAFLD早期诊断具有重要意义。本研究以BODIPY为荧光团核心，通过在meso位引入三氟甲基（CF3）基团、3,5位引入甲氧基苯基，成功构建双响应荧光探针MpBDP-CF3。该探针在1,4-二氧六环中荧光量子产率约47.86%，光稳定性优异，在溶液与细胞环境中对黏度与极性变化均表现出显著荧光敏感性，黏度检测限低至0.41 cP。此外，MpBDP-CF3可有效靶向NAFLD进展过程中的脂滴（LDs）。体内研究进一步表明，该探针在BALB/c裸鼠NAFLD模型中可实现高对比度荧光成像与精准判别，展现出早期NAFLD诊断的较大潜力。

研究背景方面，非酒精性脂肪肝病（NAFLD）已成为全球最常见的慢性肝病，可进展为肝纤维化、肝硬化甚至肝细胞癌，但其发病机制尚未完全阐明，缺乏阻断疾病进展的靶向治疗策略。临床金标准肝活检因有创、采样偏倚及患者依从性低而难以广泛应用，因此亟需无创、灵敏、实时的诊断手段。荧光成像凭借高灵敏度、高空间分辨率和无创特性受到关注，而NAFLD伴随肝细胞脂质代谢异常、脂滴（LDs）蓄积及胞内微环境黏度升高、极性改变，使同时可视化LDs并监测黏度与极性成为早期预警的关键。已有研究分别报道了单参数黏度或极性探针，但协同双参数探针仍较缺乏。为此，研究人员以BODIPY为骨架设计合成了^MpBDP-CF₃，旨在利用CF₃分子转子效应与3,5-甲氧基苯基的供电子调控，实现黏度与极性双响应及LDs靶向，并在细胞与小鼠模型中验证其NAFLD成像能力。该论文发表于《Smart Molecules》。

主要关键技术方法上，研究人员通过有机合成路线制备^MeBDP-CF₃与^MpBDP-CF₃，利用核磁共振与高分辨质谱表征；采用密度泛函理论（DFT）计算前沿分子轨道与相互作用区域指数分析构效关系；在甘油/磷酸盐缓冲液（PBS）与1,4-二氧六环/PBS混合体系中测定黏度、极性光谱响应及检测限；以HepG2细胞经油酸（OA）诱导建立NAFLD细胞模型，用脂多糖（LPS）、制霉菌素、二甲基亚砜（DMSO）、二硫苏糖醇（DTT）扰动黏度极性，以BODIPY 493/503共染确认LDs定位；动物实验采用6–8周雌性BALB/c裸鼠，高脂饮食联合地塞米松（50 mg/kg，每2天腹腔注射，共14天）构建NAFLD模型，尾静脉给药（200 μL，5 mg/kg）后行在体及离体荧光成像，并以H&E、油红O染色及血清转氨酶、肝甘油三酯（TG）评估表型。

研究结果部分，2.1分子合成与理论计算显示，^MpBDP-CF₃相较^MeBDP-CF₃吸收红移约43 nm、斯托克斯位移约60 nm；DFT表明3,5-甲氧基苯基增强供电子使HOMO-LUMO能隙缩小，非共价作用以范德华力为主，限制CF₃转子运动抑制非辐射弛豫。2.2光物理性质表明，探针在PBS中量子产率约0.06%，在甘油中约17.02%，在1,4-二氧六环中约47.86%；甘油/PBS体系黏度1–945 cP内log I与log η线性良好（R²=0.96），黏度检测限0.41 cP；1,4-二氧六环/PBS中极性降低则635 nm发射增强，最大发射波长与极性函数Δf负相关（R²=0.87）；对氨基酸、离子、糖、过氧化氢等生物分子无显著干扰。2.3细胞内黏度与极性成像中，HepG2细胞经LPS（200 μg/mL）或制霉菌素（20 μM）处理2小时，红色荧光分别增强约3.5倍与3.2倍；DMSO（10 μL/mL）处理60分钟荧光增强约2.6倍，DTT（5 mM）处理60分钟荧光下降约52%，证实探针可动态反映胞内黏度上升与极性升降。2.4脂滴细胞成像显示，OA（500 μM）诱导HepG2细胞5、10、15小时，^MpBDP-CF₃红色荧光与BODIPY 493/503绿色荧光共定位，强度随LDs蓄积逐步升高（15小时约2.8倍），契合LDs高黏低极特征。2.5体内NAFLD小鼠成像中，模型组肝脏苍白黄腻、体积增大，H&E见肝索紊乱、油红O阳性、血清谷草/谷丙转氨酶及肝TG显著升高；尾静脉注射探针后20–30分钟腹部红光达峰，离体肝信号显著高于对照组且其他脏器蓄积少，证明肝脏特异性富集与NAFLD判别能力。

讨论与结论部分，研究人员指出，现有NAFLD诊断依赖有创活检，单参数荧光探针难以全面刻画代谢微环境，而^MpBDP-CF₃通过介观CF₃转子与3,5-甲氧基苯基协同，首次在单一BODIPY骨架上集成黏度、极性双响应与LDs靶向，黏度检测限0.41 cP、量子产率近48%，且在细胞扰动、OA蓄积、裸鼠高脂加地塞米松模型中均呈现与病理微环境一致的“高黏低极→亮红”信号。结论明确：研究人员成功开发基于BODIPY、对黏度与极性双响应的荧光探针^MpBDP-CF₃，经结构修饰调控分子内转子与能级，在溶液、细胞及BALB/c裸鼠NAFLD模型中实现对LDs微环境高对比成像，为NAFLD早期无创诊断与机制研究提供了兼具高灵敏度与肝脏靶向潜力的分子工具。