细胞内硫醇探测新技术——超极化129Xe磁共振

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硫醇如谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(Cys)、高半胱氨酸(Hcy)等在细胞新陈代谢中扮演着重要的角色。在癌症、阿兹海默症、帕金森症等疾病中,细胞内硫醇的含量都高于正常水平。因此,对细胞内硫醇的超灵敏检测具有重要意义。目前最常用的检测细胞内硫醇的方法是荧光方法,但是荧光的组织穿透性比较低。磁共振技术具有无损检测、无放射性、无组织穿透深度限制的优点,但是目前的传统磁共振技术灵敏度较低。超极化129Xe磁共振是一种全新的磁共振分子影像技术,比相同条件下传统磁共振的灵敏度增强50000倍以上,同时兼具传统磁共振的上述优点。

近日,中国科学院武汉物理与数学研究所的周欣研究组在自主研发的超极化129Xe磁共振的仪器上,设计合成了硫醇响应的129Xe磁共振/荧光双模态超灵敏分子探针,并以二硫键为硫醇的响应位点,实现了硫醇皮摩尔(10-10 M)量级的磁共振检测灵敏度。超极化129Xe磁共振不仅提供了细胞内硫醇检测的超灵敏新技术,也为下一步活体应用迈出了重要的一步。

细胞内硫醇探测新技术——超极化129Xe磁共振

图1. 129Xe磁共振/荧光双模态探针分子在细胞内与硫醇反应的示意图

在溶液中,超极化129Xe磁共振及荧光双模态分子探针与硫醇反应后,二硫键断裂,同时与荧光基团萘酰亚胺相连的部分会发生分子内的成环反应,从而使荧光出现增强现象。由于超极化129Xe对化学环境的敏感性,当探针分子的二硫键断裂后,同时也引起超分子笼内129Xe磁共振信号的改变。因此,他们可通过荧光与129Xe磁共振来进行硫醇双模态的超灵敏检测。

细胞内硫醇探测新技术——超极化129Xe磁共振

图2. 超极化129Xe磁共振和荧光双模态探针分子与GSH反应后,荧光光谱与超极化129Xe磁共振谱;(a)探针分子与不同化学计量GSH反应后的荧光光谱;(b)探针分子与不同化学计量GSH反应后的超极化129Xe磁共振谱

在细胞内,超极化129Xe磁共振和荧光双模态探针分子对硫醇也显示出较好的响应能力。探针分子进入细胞内出现较强的绿色荧光,当用硫醇抑制剂NEM处理后,再将探针分子导入细胞内,细胞内探针分子的荧光明显减弱。

细胞内硫醇探测新技术——超极化129Xe磁共振

图3. 探针分子进入细胞后的激光共聚焦

研究者结合化学交换饱和转移(CEST)的磁共振技术研究了探针分子进入细胞后的超极化129Xe磁共振谱。当探针分子导入细胞后,在细胞内观测到较强的CEST效果;当细胞先用NEM处理后,再将探针分子导入细胞内,细胞内的CEST效果明显减弱。此测试结果与荧光手段互相印证并高度一致,表明超极化129Xe磁共振检测细胞内硫醇的灵敏度与荧光的效果几乎不相上下。

细胞内硫醇探测新技术——超极化129Xe磁共振

图4. 超极化129Xe磁共振和荧光双模态探针分子进入细胞后的CEST磁共振谱

此项研究成果于近期在美国化学学会旗下的Analytical Chemistry 上发表,中国科学院武汉物理与数学研究所的郭茜旎副研究员与曾庆斌博士生为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目和杰出青年基金项目、中国科学院的支持。

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