上海交大凌代舜、李方园Matter：配体介导的酸活化磁性粒子成像探针，可实现对败血症的高灵敏度诊断
时间：2025-01-27 12:12:14 热度：37.1℃ 作者：网络
磁粒子成像（MPI）
自主响应内源性分子特征的“智能”刺激响应成像策略在非侵入性影像中表现出更高的灵敏度和特异性，有望改善疾病诊断和准确评估治疗效果。这些策略利用经历结构变化的探针，改变其物理和化学性质，并已有效应用于各种成像方式，包括光学成像、正电子发射计算机断层扫描和磁共振成像（MRI）。特别是，磁粒子成像（MPI）是一种新型的临床前成像技术，旨在提供实时、功能、，和定量非侵入性成像。通过直接检测磁性纳米粒子（MNP），MPI提供了高灵敏度，避免了电离辐射，并最大限度地减少了来自反磁性组织的背景干扰，从而可能克服当前成像模式的局限性。然而，大多数现有的MPI探针始终保持开启状态，导致与病理变化无关的背景信号干扰。这一局限性阻碍了MPI用于监测疾病相关生物过程中的分子水平变化，如败血症（其特征是动态酸性微环境）。因此，开发智能刺激响应探针对于推进高性能、按需的MPI策略至关重要。
配体介导的酸活化磁性粒子成像探针
在这项研究中，上海交通大学凌代舜教授、李方园研究员和北京航空航天大学田捷教授等人通过设计具有可调MPI性能的亚胺键介导的酸响应组件（LAMP）来应对上述挑战，该组件在解组装过程中采用了可调的磁偶极相互作用，揭示了开发生物标志物响应MPI策略的原理。在中性介质中，LAMP组装结构内的短粒子间距离使构建块之间的磁偶极相互作用最大化，这削弱了LAMP的磁化动力学，从而通过限制BMCS的磁矩旋转有效地淬灭MPI信号。相反，在酸性条件下，酸不稳定的亚胺键迅速水解，以高度受控、环境依赖的方式恢复MPI信号。酸敏MPI性能可以灵敏地监测以动态酸性微环境为特征的败血症的进展。这是酸激活MPI探针的首例应用研究，该探针利用受控的纳米级粒子间距离来调节MPI信号，以实现精确的体内分子成像，为下一代MPI示踪剂的设计提供了一种有前景的转化方法。相关工作以“Ligand-mediated acid-activatable magnetic particle imaging probes for highly sensitive diagnosis of sepsis”为题发表在Matter。
【文章要点】
一、LAMP的制备表征
依赖纳米级距离的物理过程，如Förster共振能量转移（FRET）和依赖距离的磁共振调谐（MRET），是生物医学传感和成像中使用的重要相互作用。磁偶极子相互作用是对MNP空间位置变化敏感的另一个重要物理过程。MNP的组装通常涉及纳米级粒子间距离的显著变化，从而产生增强或新颖的集体磁性。受利用FRET或MRET原理的探针的启发，利用MNP纳米级距离的变化来调节其集体磁性行为提供了一条有前景的途径。然而，目前的组装-解组装过程通常依赖于疏水-亲水相互作用或由长链长和疏水链段的高分子量聚合物配体介导的静电力。这些聚合物配体倾向于在响应性拆卸之前扩大粒子间距离。在此，作者报告了一种利用酸响应亚胺键配体介导的酸激活磁性粒子成像探针（LAMP）（图1）。LAMP由两个关键组件组成：具有高磁化饱和度（Ms）的双磁芯/壳纳米晶体（BMCS）FePt@Fe3O4和，其中A1配体是可介导酸响应亚胺键形成的三醛衍生物小分子。
图1 LAMP的制备表征
二、机制研究
在中性环境中，基于亚胺键的配体产生稳健的连接，保持组装结构并最小化粒子间距离。相反，在酸性条件下，这些键会迅速水解，有效地解离单个纳米粒子。小尺寸的BMCS和酸不稳定的化学键合组装策略使构建块能够组装成坚固的结构，同时保持敏感的酸响应性解组装能力。在中性介质中，LAMP组装结构内的短粒子间距离使构建块之间的磁偶极相互作用最大化，这削弱了LAMP的磁化动力学，从而通过限制BMCS中的磁矩旋转有效地淬灭MPI信号。在酸性微环境中，亚胺键的水解促进了LAMP的分解，显著增加了粒子间距离，从而通过减少磁偶极相互作用并恢复了BMCS的MPI信号（图2）。
图2 LAMP的酸响应MPI性能及其机制
三、MPI性能
上述酸响应配体介导的粒间距离调节调节了磁偶极相互作用和MPI信号，从而能够灵敏地监测以动态酸性微环境为特征的败血症进展。具体而言，暴露于酸性环境后，亚胺键的水解促进了LAMP分解为单个BMCS，增加了粒子间距离，减少了BMCS之间的磁偶极相互作用，并恢复了它们的MPI性能。在脓毒症的乳酸过量环境中，LAMP表现出MPI信号的显著增强，并由体内酸性微环境触发，信号强度增加了1.54倍，因此可用于敏感检测不同的脓毒症严重程度（图3）。
图3 配体介导的酸活化磁颗粒成像探针（LAMP）用于败血症诊断的示意图
【结论与展望】
总之，LAMP已被开发用于败血症的高灵敏度MPI诊断。该策略通过合理选择构建块和酸反应配体构建了一个稳健且对酸敏感的组装结构。据作者介绍，这是第一篇关于酸激活MPI探针的报道，该探针利用受控的纳米级粒子间距离来调节MPI信号，以实现精确的体内分子成像。作为第一项通过在纳米尺度上调整粒子间距离来调节MPI信号的研究，本研究验证了使用磁偶极相互作用介导的MPI信号调制的可行性，为开发能够监测生物过程中分子水平变化的下一代MPI诊断平台铺平了道路。
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