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研究背景

Background

缺氧是指生物体内氧分压低于正常水平的现象，是许多生理和病理过程中重要的微环境因素。在正常生理条件下，缺氧可以参与组织修复、血管生成和细胞分化等过程。然而，在许多病理状态下，如肿瘤、炎症、缺血性疾病和神经退行性疾病等，缺氧往往伴随着细胞损伤和功能障碍，并促进疾病的进展。

传统的缺氧检测方法主要包括免疫组化染色、电子顺磁共振波谱分析和生物发光成像等。这些方法通常难以实现对整个器官或身体中缺氧区域的全面观察。近年来，组织透明化技术逐渐兴起，该技术可以去除组织中的散射光，使组织变得透明，从而实现深度无关的荧光成像。

然而，传统的荧光探针在组织透明化过程中容易被洗脱，难以与组织透明化技术结合使用。此外，许多荧光探针的荧光性质会受到折射率匹配溶液（RIMS）的影响，导致荧光信号减弱或消失。

研究目的

Objectives

本研究旨在开发一种能与组织透明化技术兼容的新型可激活共价荧光探针，用于缺氧组织的标记，从而实现对活体小鼠全身体和全器官的缺氧三维成像，为探索缺氧相关的生物学现象提供新的工具，并有助于深入了解缺氧在疾病发生发展中的作用机制。

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研究亮点

1、荧光染料与RIMS的兼容性研究

研究者对多种荧光染料在不同RIMS中的光物理性质进行了研究。研究者选择了荧光素异硫氰酸酯（FITC）、四甲基罗丹明（TAMRA）、硅罗丹明、青色素3（Cy3）和青色素5（Cy5）等代表性染料，并测量了它们在BABB和CUBIC-R等代表性RIMS中的荧光亮度、吸收光谱和荧光光谱。

2、可激活共价荧光探针的设计和合成

为了克服荧光染料与RIMS之间的不兼容性，作者以2-硝基咪唑化合物pimonidazole为基础，合成了10种与不同荧光染料连接的Pimo-Dye探针。Pimo-Dye探针的化学结构如图所示，其中pimonidazole部分负责与缺氧组织中的蛋白质发生共价结合，而荧光染料部分负责产生荧光信号。（图1）

3、细胞和活体实验

评估Pimo-Dye探针在细胞和活体层次的缺氧检测能力。

4、组织透明化和三维成像

为了实现活体小鼠的全身体和全器官的缺氧三维成像，研究者将Pimo-Dye探针与组织透明化技术结合使用。首先，研究者将Pimo-Dye探针注入活体小鼠体内，并使其与缺氧组织中的蛋白质发生共价结合。然后，研究者对小鼠进行灌注固定和组织透明化处理，并使用光片荧光显微镜对透明化后的组织进行三维成像。

图1 Pimo-Dye探针的化学结构及应用

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基本信息描述

1. Pimo-Dye探针与RIMS的兼容性良好

FITC和硅罗丹明在RIMS中的荧光亮度显著降低，而Cy3、Cy5、Me-Si-Rhodamine、PO-Rhodamine和BODIPY等染料的荧光亮度在RIMS中保持稳定或有所提高。Pimo-Si-Rhodamine、Pimo-Me-Si-Rhodol和Pimo-BODIPY在RIMS中的荧光亮度保持稳定或有所提高，能够满足组织透明化成像的需求。

2. Pimo-Dye探针具有高效的缺氧检测能力

细胞实验结果表明，Pimo-Si-Rhodamine、Pimo-Me-Si-Rhodol和Pimo-BODIPY能够在缺氧条件下特异性地标记细胞，并具有良好的信噪比。活体实验结果表明，Pimo-Si-Rhodamine、Pimo-Me-Si-Rhodol和Pimo-BODIPY能够在缺氧条件下特异性地标记肾脏组织，并能够在组织透明化过程中保持荧光信号。（图2）

图2 探针在细胞和组织层次检测缺氧

3. Pimo-Dye探针可用于活体小鼠的全身体和全器官的缺氧三维成像

通过组织透明化技术和光片荧光显微镜，成功实现了对标记了Pimo-Dye探针的小鼠肾脏和全身体中缺氧区域的单细胞分辨率成像。（图3）

4. Pimo-Dye探针揭示了肝脏中的严重缺氧区域

研究发现，Pimo-Me-Si-Rhodol标记的荧光信号不仅出现在肾脏，还出现在肝脏。进一步的分析表明，肝脏中央静脉周围的区域存在严重的缺氧现象，这与以往的研究结果一致。

图3 探针实现全肾脏和全小鼠成像

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研究局限性

首先，组织透明化过程中可能会产生假缺氧，需要进一步优化实验方案以避免。其次，需要进一步研究Pimo-Dye探针在不同组织中的分布情况，以排除荧光信号的非特异性来源。再者，Pimo-Dye探针的光稳定性需要进一步提高，以满足长时间成像的需求。

总结

Summary

缺氧是许多生理和病理过程中重要的微环境因素，对细胞功能和疾病发生发展具有重要作用。本研究开发的可激活共价荧光探针与组织透明化技术有机结合，为研究缺氧相关的生物学现象提供了新的工具，并有助于深入了解缺氧在疾病发生发展中的作用机制。未来，该技术有望在多种疾病的诊断和治疗研究中发挥重要作用。

参考文献

[1] Daichi M. Sakamoto, Iori Tamura, Bo Yi, Sho Hasegawa, Yutaro Saito, Naoki Yamada,Yoichi Takakusagi, Shimpei I. Kubota, Minoru Kobayashi, Hiroshi Harada, Kenjiro Hanaoka, Masayasu Taki, Masaomi Nangaku, Kazuki Tainaka, and Shinsuke Sando , Whole-Body and Whole-Organ 3D Imaging of Hypoxia Using an Activatable Covalent Fluorescent Probe Compatible with Tissue Clearing，ACS Nano 2024, 18, 5167-5179.

END

文案 | 陆细刚

排版 | 陆细刚

审核 | 陆细刚

发布｜姜笑南

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