近红外二区荧光与质谱成像联用解析帕金森模型中硫化氢相关的氧化还原失调

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Coupled NIR-II fluorescence and mass spectrometry imaging of H 2S-associated redox dysregulation in Parkinsonian models

　　

摘要

硫化氢（H₂S）在神经元氧化还原稳态中发挥重要作用，并已被发现与多巴胺能神经元损伤的调控有关，但其瞬时性和反应性使其体内监测极具挑战性。在此，我们采用近红外二区（NIR-II）荧光成像与质谱成像（MSI）相结合的方法，评估帕金森模型中硫化氢相关的氧化还原失调及治疗反应。对H₂S响应的荧光团CySO₃Cl在与H₂S反应后表现出荧光淬灭，从而提供了H₂S相关变化的反向光学读出信号。在N2a细胞中，CySO₃Cl对外源和内源调控的H₂S均有响应，并揭示了MPP⁺诱导的神经元损伤中H₂S相关的氧化还原状态降低。在MPTP诱导的帕金森小鼠中，脑区观察到增强的NIR-II荧光信号，表明存在H₂S相关的氧化还原紊乱。用多酚类化合物（尤其是白藜芦醇和茶多酚）处理后，荧光信号降低，病理、行为学和氧化应激相关指标改善，提示H₂S相关的氧化还原稳态得到部分恢复。此外，离体MSI通过绘制脑组织中CySO₃Cl、其H₂S响应产物CySO₃SH和多巴胺的空间分布，提供了互补的空间分子信息。MSI结果显示，帕金森小鼠中多巴胺和CySO₃SH信号降低，而残余CySO₃Cl信号升高，经多酚类化合物治疗后这些变化得到部分逆转。总之，本研究提出了一种耦合NIR-II荧光/MSI成像策略，用于评估帕金森模型中H₂S相关的氧化还原失调及治疗反应。

引言

帕金森病（PD）是继阿尔茨海默病之后第二常见的神经退行性疾病，由于其发病机制复杂且临床病程进行性加重，已成为全球主要的健康负担之一[1]、[2]。PD的主要特征是黑质（SN）和纹状体（STR）中多巴胺能神经元的退变，这导致了运动功能障碍和其他神经症状[3]、[4]。越来越多的证据表明，氧化应激、神经炎症、线粒体功能障碍和异常蛋白聚集与PD的进展密切相关[5]。然而，与疾病进展和治疗反应相关的分子变化仍难以进行动态监测。因此，开发敏感的光学成像策略来评估帕金森模型中与疾病相关的分子变化，对于理解PD相关病理生理学及评估潜在治疗干预措施具有重要意义[6]、[7]。

硫化氢（H₂S）是一种内源性气态信号分子，因其在神经元功能和氧化还原稳态中的重要作用而日益受到关注。在哺乳动物系统中，H₂S主要由胱硫醚β-合酶（CBS）、胱硫醚γ-裂解酶（CSE）和3-巯基丙酮酸硫转移酶（3-MST）生成[8]。据报道，H₂S具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用，从而有助于在PD相关模型中对神经元发挥保护作用[9]。因此，H₂S代谢的失调可能与多巴胺能神经元损伤和氧化还原失衡有关。然而，由于H₂S的瞬时性、反应性以及在样品处理过程中容易受到干扰，在活体系统中准确监测H₂S相关的变化仍然具有挑战性。因此，需要灵敏可靠的成像方法来研究帕金森模型中H₂S相关的氧化还原变化。

目前已开发了多种用于H₂S检测的分析方法，包括比色法[10]、[11]、色谱法[12]、电化学传感器[13]、[14]和荧光探针[15]、[16]、[17]。在这些方法中，荧光成像因其高灵敏度、操作简单以及能够在活体系统中可视化分子变化而特别适用于生物学研究[18]。在反应型传感策略中，HS^?介导的含氯多甲川或相关亲电性荧光团骨架的亲核取代已被广泛用于H₂S检测[19]、[20]、[21]、[22]。然而，许多已报道的H₂S响应型探针主要在可见光或第一近红外（NIR-I）区域工作，在该区域组织散射和背景自发荧光会限制体内成像性能。第二近红外（NIR-II，900–1700 nm）荧光成像具有更深的组织穿透能力、更低的背景干扰和更高的信噪比，因此对体内分子成像具有吸引力[23]、[24]、[25]。尽管具有这些优势，但用于监测PD相关模型中H₂S相关氧化还原变化的NIR-II荧光成像策略仍然有限。

除荧光成像外，质谱成像（MSI）能够在组织切片中提供空间分辨的分子信息，且无需标记。MSI可以可视化内源性代谢物、神经递质和探针相关离子的分布，从而为荧光成像提供互补的分子信息[26]、[27]、[28]。虽然体内NIR-II荧光成像能够提供探针相关荧光变化的全动物光学读出信号，但离体MSI可以进一步绘制特定脑组织中的分子变化。因此，将NIR-II荧光成像与MSI相结合，可能为评估帕金森模型中H₂S相关的氧化还原失调和多巴胺分子变化提供互补信息。

在本研究中，我们采用NIR-II荧光成像与MSI相结合的方法，研究了细胞和小鼠帕金森模型中H₂S相关的氧化还原失调。选择CySO₃Cl作为H₂S响应型荧光团，因为它通过与H₂S发生亲核取代反应而导致荧光淬灭，从而能够通过反向NIR荧光信号监测H₂S相关的氧化还原状态变化。与开启型或比率型系统相比，这种关闭型响应提供了一种基于CySO₃Cl初始强NIR荧光的简便读出方式，然而，信号衰减也可能受探针递送、组织光学特性、清除和光漂白等因素的影响。为降低单一荧光读出方式带来的不确定性，将体内NIR-II荧光成像与离体MSI相结合，绘制了脑组织中CySO₃Cl、其H₂S响应产物CySO₃SH和多巴胺的空间分布。该综合策略随后被应用于MPP⁺诱导的神经元细胞和MPTP诱导的帕金森小鼠，以评估H₂S相关的氧化还原变化及对多酚类化合物的治疗反应。通过将全动物荧光变化与空间分子信息联系起来，本工作为评估帕金森模型中H₂S相关的氧化还原失调和治疗反应提供了一种互补的成像策略。

章节摘要

化合物CySO₃Cl的合成

在氮气保护下，将化合物2（1 g，6 mmol）、化合物4（3.5 g，12 mmol）和醋酸钠（500 mg，6 mmol）的混合物溶于乙酸酐（30 mL）中。该溶液在Dean-Stark条件下加热至90 °C反应1 h。冷却至室温后，将粗产物用乙醚（100 mL）洗涤，并通过柱色谱纯化（CH₂Cl₂/MeOH = 4:1），得到绿色固体，产率为69%。¹H NMR (400 MHz, DMSO-d₆) δ 8.25 (d, J = 14.0 Hz, 2H), 7.62 (dd, J

CySO₃Cl的光谱表征

首先使用NaHS作为H₂S供体，在生理条件下评估了CySO₃Cl对H₂S的光学响应。与NaHS反应后，溶液颜色由浅绿色变为蓝色，同时主吸收带从780 nm发生蓝移至700 nm（图1A）。与此同时，在650 nm激发下，CySO₃Cl在810 nm处的荧光发射随NaHS浓度增加而逐渐减弱（图1B）。在808 nm激发下，CySO₃Cl也表现出

结论

综上所述，我们开发了一种耦合NIR-II荧光/MSI成像策略，用于评估帕金森模型中H₂S相关的氧化还原失调及治疗反应。对H₂S响应的荧光团CySO₃Cl表现出适当的灵敏度、选择性、稳定性和生物相容性，其与H₂S反应后荧光淬灭，从而实现了对H₂S相关变化的反向光学读出。在MPP⁺诱导的神经元损伤和MPTP诱导的帕金森小鼠中，基于CySO₃Cl的

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由兰州市城关区重大科技项目（2025KJZD0006）、宁夏回族自治区重点研发计划（2026BEG01007）、中科院兰州化学物理研究所"十五五"期间重点培育项目（NO. KCP155B08）、甘肃省重点研发计划（25YFFA033）、甘肃省基础创新研究群体科学基金（25JRRA469）、中国科学院药物发现与开发中亚中心项目（CAM202402）、九泉科学

黄飞|焦晓蓉|张艳霞|景全|刘纪飞|张震昌|裴东|刘灿|张金龙|海君

中国科学院兰州化学物理研究所，西北植物资源化学与甘肃天然药物国家重点实验室，兰州 730000，中国