小鼠模型在新型探針開發(fā)中的應用，助力準確檢測體內一氧化氮

一氧化氮（NO）是人體內重要的信號分子，在各種生理過程中發(fā)揮重要作用。它參與調節(jié)血流，維持細胞活力，保護心肌細胞和神經細胞免受缺血性和出血性損傷。NO信號傳導的異常與心腦血管疾病、神經退行性疾病、糖尿病和各種癌癥密切相關。重要的是，它的生理和病理影響與其濃度有關，因此精準定量生物組織中的NO對闡明其復雜作用至關重要。

然而，準確測定生物體內的NO水平仍是一項重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的定量試劑盒無法可靠地測定體內NO。非侵入性成像技術（如熒光、光聲和余輝成像）有助于檢測NO，但組織穿透力不足，限制了其在全身成像中的應用。磁共振成像（MRI）具有高的空間分辨率和深層組織穿透力，且無電離輻射，因此適用于疾病診斷和監(jiān)測。

近日，湖南大學化學化工學院宋國勝教授和張曉兵教授領導的團隊開發(fā)出一種基于超順磁性納米顆粒的NO磁共振成像探針，能夠實現(xiàn)高度靈敏且選擇性的NO檢測。這種探針可檢測濃度低至0.147 μM的NO，有助于人們更好地了解NO在生理和病理過程中的多方面作用。這項研究成果發(fā)表在《Nature Materials》期刊上。
 

研究材料與方法
在這項研究中，研究人員將超順磁性氧化鐵納米顆粒與可剪切接頭偶聯(lián)，構建了NRBP探針。他們利用Bruker 7T Biospec MRI掃描儀獲得了MRI圖像。他們在4T1荷瘤小鼠上評估了NRMP探針用于體內NO成像的效果，并通過流式分析等評估了腫瘤免疫微環(huán)境。在利用NRBP探針檢測肝損傷時，他們除了使用BALB/c小鼠，還使用了敲除誘導型一氧化氮合酶基因的NOS2^-/-小鼠（由賽業(yè)生物提供）。

技術路線

構建NO響應性磁探針（NRMP）并對其進行系統(tǒng)表征
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利用4T1荷瘤小鼠模型評估NRMP探針用于體內NO成像的效果
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利用NRMP探針全面評估NO在腫瘤生物學中的作用
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利用NRMP探針篩選免疫療法和評估肝損傷

研究結果
1. 構建NO磁共振成像探針
研究人員將氧化鐵納米顆粒與對NO敏感的可剪切接頭偶聯(lián)，形成超順磁性納米顆粒。為了增強其親水性，他們將這些納米顆粒進一步與PEG-NH₂偶聯(lián)，最終形成NO響應性磁探針（NRMP，圖1）。與NO的相互作用會導致探針膨脹，增加氧化鐵的顆粒間距離，這會延長橫向弛豫時間（T₂），導致T₂ MRI信號強度增加（圖1）。
 

圖1. NRMP探針的構建

他們接下來測定了加入不同濃度NO后縱向和橫向弛豫時間的變化，以評估NRMP探針的響應行為。隨著NO濃度增加，NRMP探針的橫向弛豫率（r₂）從64.3 mM-1 s-1顯著降至27.9 mM-1 s-1。對NRMP探針的選擇性進行測試時，他們發(fā)現(xiàn)只有在NO存在的情況下，T₂弛豫時間才會明顯增加，這證明了NRMP探針的高度特異性和抗干擾性。

研究人員還利用T₂ MRI對檢測NO的靈敏度進行了定量。他們發(fā)現(xiàn)，即使NO的濃度增加極少（~1 μM），T₂ MRI圖像也會更亮，表明靈敏度很高。而且，信號定量結果與NO濃度表現(xiàn)出強的線性相關，最低可檢測濃度低至0.147 μM的NO。

2. NRMP探針用于體內NO成像的效果
作為一種T₂加權MRI探針，NRMP與NO發(fā)生作用之前，最初會顯示出陰性對比度。靜脈注射后，NRMP探針在腫瘤內積累，增強陰性對比度，減弱T₂ MRI信號。與腫瘤內NO的相互作用導致NRMP探針膨脹，減弱陰性對比度，增加MRI信號強度，并產生陽性對比度（圖2）。

隨后，研究人員利用4T1荷瘤小鼠模型進行了體內成像。他們利用脂多糖（LPS）誘導腫瘤微環(huán)境中NO的增加，并在注射NRMP或對照探針后進行MRI。在LPS + NRMP組，他們在6小時內觀察到最初變暗，然后是亮度增加，表明NO誘導了從陰性到陽性對比度的轉換（圖2）。對MRI信號強度的定量顯示，與對照組相比，LPS處理組的腫瘤信號在24小時后明顯增加。之后，他們建立了MRI信號強度和NO濃度之間的相關曲線。

圖2. NRMP用于體內NO成像的效果

利用NRMP探針評估NO在腫瘤生物學中的作用
目前，NO在體內促進或抑制腫瘤生長的特定濃度仍不清楚。于是，研究人員探究了NO對腫瘤免疫和生長的劑量依賴作用。他們以低劑量、高劑量的NO供體或PBS處理4T1荷瘤小鼠，并利用NRMP探針對腫瘤內的NO濃度進行定量。在計算注射NRMP前后的T₂ MRI信號強度比后，結果顯示NO供體劑量越高，信號強度比越大。

接下來，研究人員探索了NO誘導免疫原性細胞死亡的能力。他們測定了4T1荷瘤小鼠在處理后的損傷相關分子模式釋放情況，如鈣網蛋白（CRT）和高遷移率族蛋白B1（HMGB1）。分析結果顯示，高劑量NO有助于CRT暴露，并能顯著提高HMGB1水平，而低劑量NO的影響很小，這表明高劑量NO通過內質網應激和HMGB1升高來促進免疫原性細胞死亡。

后續(xù)分析顯示，高劑量NO處理后，小鼠腫瘤內的成熟樹突狀細胞增加，CD8+ T細胞明顯增加，且M1樣巨噬細胞浸潤增加，表明腫瘤相關巨噬細胞向M1表型極化，而低劑量NO則沒有這些效果。此外，TNF-α和IL-6在高劑量NO的作用下顯著升高。這些結果顯示，高劑量NO可通過調節(jié)免疫微環(huán)境和促進免疫原性細胞死亡來有效增強抗腫瘤免疫。

在全面評估NO對腫瘤進展的影響時，研究人員發(fā)現(xiàn)與PBS處理組相比，高劑量NO供體明顯抑制了腫瘤生長，而低劑量NO供體則略微加速了腫瘤生長。染色結果顯示，高劑量NO處理后的腫瘤出現(xiàn)了廣泛凋亡和壞死，而低劑量NO處理則增強了CD31的表達，表明刺激了腫瘤微環(huán)境中的血管生成，這與其促進腫瘤生長的作用是一致的。

利用NRMP探針篩選免疫療法
研究人員借助MRI的優(yōu)勢，對M1巨噬細胞產生的NO進行成像，從而對巨噬細胞介導的免疫治療效果進行定量。他們選擇了三種已知能誘導巨噬細胞向M1表型極化的藥物——IFNγ、CpG和R848。通過計算T₂ MRI信號強度比，他們發(fā)現(xiàn)在24小時后藥物治療小鼠的信號強度比高于對照組，其中R848組的升高最為顯著。

同時，他們還發(fā)現(xiàn)藥物治療小鼠的M1樣巨噬細胞增加，且與M1巨噬細胞相關的細胞因子（TNF-α、IL-6和IL-1β）顯著增加。其中，R848組表現(xiàn)出最高水平的M1巨噬細胞標志物。與對照組相比，所有治療組的腫瘤體積都明顯縮小，其中R848組療效最高，這與MRI測定的NO生成一致。這些結果凸顯了NRMP探針對NO成像的潛力，可在腫瘤發(fā)生明顯變化之前觀察到M1巨噬細胞的極化并篩選免疫療法。

利用NRMP探針評估肝損傷
肝臟中NO水平的實時成像對于了解相關病理過程至關重要。為了評估NRMP在這方面的能力，研究人員利用PBS或LPS處理小鼠，并注射了NRMP探針。在此實驗中，他們使用了兩種小鼠：BALB/c小鼠和NOS2^-/-小鼠（后者由賽業(yè)生物提供）。

他們觀察到，LPS處理組的肝臟圖像最初變暗，但在30分鐘后變亮，表明NO誘導下MRI對比度從陰性轉變?yōu)殛栃浴Ｏ啾戎�下，NOS2^-/-小鼠的肝臟圖像始終保持黑暗，證明沒有NO生成（圖3）。在左肝葉局部注射LPS和全身注射NRMP后，T₂ MRI信號強度比證實左肝葉NO水平更高。結合解剖和分子成像，NRMP探針能夠有效確定局部肝臟病理。

圖3. 肝臟病理生理分析中的NO成像

結論
這項研究開發(fā)出一種體內檢測NO的NRMP探針，具有高靈敏度和特異性。它能夠很好地監(jiān)測NO的變化，防止信號飽和，并提供精確的結果。NRMP探針對于分析NO在腫瘤中的復雜生理和病理作用很有價值，有助于靶向治療策略的開發(fā)。它還能夠繪制體內NO的動態(tài)圖譜，這對肝損傷等疾病至關重要。

原文檢索
Lu, C., Liao, S., Chen, B. et al. Responsive probes for in vivo magnetic resonance imaging of nitric oxide. Nat. Mater. 24, 133–142 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02054-0