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急性肾损伤（AKI）是一种发病率和致死率都很高的疾病，主要表现为肾小球滤过作用的显著下降，导致肾功能紊乱，从而进一步恶化引起死亡。传统诊断急性肾损伤的方法主要包括肾穿刺活检和测量血液中肌酐和血尿素氮的含量等。但前者是侵入性的，可能会对身体造成伤害，同时存在感染其它器官的风险；后者由于检测灵敏性不足，无法在AKI的早期阶段及时检出，病人往往会错过了最佳的治疗时机。因此，急需要开发高灵敏度的分析方法，应用于对AKI安全、及时检测。
荧光成像由于具有高的灵敏度、操作简易、实时以及非侵袭性等优点，广泛应用于疾病标志物的成像分析。借助荧光成像的优点，目前已有一些能检测AKI的荧光探针被报道，然而，这些探针，往往只是检测AKI过程的一个标志物，在应用活体上时由于受肾脏动态环境、快速清除等环境因素的制约，导致检测信号和特异性不够。
图1 （a）探针1-DPA2的化学结构设计以及与caspase-3作用后转变为具有近红外荧光的2-DPA2。（b）探针1-DPA2对急性肾损伤的成像检测原理。
近日，南京大学化学化工学院叶德举教授课题组在前期与张艳老师课题组合作发展的“一锅三步点击反应”（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2787-2794）构建多模态分子影像探针研究工作基础上，针对AKI过程中损伤的肾上皮细胞同时存在细胞膜外翻的磷脂酰丝氨酸蛋白（PS）和胞内激活的半胱天冬酶-3（caspase-3）这两个标志物，通过在近红外荧光染料骨架中同时引人两个能有效靶向PS的水溶性小分子配体（二-吡啶胺-锌配合物， DPA-Zn）和一个caspase-3可识别的多肽底物，快速构建了PS靶向、caspase-3激活的近红外荧光探针（1-DPA2 ，图1）。
图2 （a）在注射探针1-DPA2后2小时，对顺铂处理不同时间（0，24，48，72和96小时）的小鼠进行荧光成像。（b）在（a）的条件下的对应的肾脏荧光强度以及（c）成像信背比。（d）顺铂处理不同时间的小鼠的肾小球滤过率（GFR）。（e）顺铂处理不同时间的小鼠的肾切片H&E染色。（f）顺铂处理不同时间的小鼠的肾切片caspase-3免疫荧光染色以及（g）其对应的荧光强度。（h）在对数坐标下，探针1-DPA2在肾脏的荧光强度与肾切片的caspase-3荧光强度的相关性（Person’s r = 0.999）。
结果显示，1-DPA2在小鼠模型上可以通过肾清除路径快速进入肾脏，通过外翻PS的结合和caspase-3的激活协同作用，增强808 nm处的近红外荧光信号，实现对化疗药物（如顺铂）或造影剂（如diatrizoate）诱发的早期肾损伤开展实时、无创、高信背比的近红外荧光成像，从而可以在顺铂作用小鼠的24 h时间点发现肾损伤信号，早于临床上使用的方法（如测血尿氮BUN、肌酐CR和肾小球滤过率GFR等）（图2）。此外，1-DPA2还可以通过实时荧光成像，应用于监测药物诱导的急性肾损伤进程和评估抗氧化药物（NAC）对急性肾损伤的疗效（图3）。
图3 （a）对肾损伤小鼠注射NAC进行治疗后（0×，不治疗；1×，在顺铂处理12小时后治疗1次；2×，在顺铂处理12、24小时各治疗1次；3×，在顺铂处理12、24和36小时各治疗1次），尾静脉注射1-DPA2后2小时进行荧光成像。（b）在（a）的条件下的对应的肾脏荧光强度变化。（c）在（a）的条件下小鼠血液中肌酐（CR），血尿素氮（BUN）和胱抑素C（CysC）的相对含量变化。
总之，该工作通过利用细胞表面受体介导的探针停留与荧光激活相结合的策略来增强成像信号和延长活体上的成像窗口，针对AKI过程中同时存在的两个生物标志物进行协同作用，可以有效提高探针在体内检测的特异性和成像信背比，从而能促进AKI的早期检测。该工作以“An Activatable Near-Infrared Fluorescence Probe for in Vivo Imaging of Acute Kidney Injury by Targeting Phosphatidylserine and Caspase‑3”为题发表在Journal of the American Chemical Society（DOI:10.1021/jacs.1c08898）上。近日，改工作被选为JACS Spotlights亮点文章进行介绍（https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.1c12834）。
博士研究生翁剑辉和南京大学化学与生物医药创新研究院副研究员王宇琦博士为该工作的共同第一作者，叶德举教授为通讯作者。以上研究工作得到了生命分析化学国家重点实验室、南京大学化学与生物医药创新研究院、国家自然科学基金项目(21922406, 22004067, 22137003)，中央高校基本科研业务费专项资金(020514380251)，江苏省自然科学基金项目(BK20202004, BK20200301)和南京大学卓越计划项目(ZYJH004)的支持。
来源：南京大学
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08898
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