心血管炎癥狀態(tài)實(shí)時(shí)光聲成像技術(shù)無創(chuàng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)
本研究開發(fā)了一種新型的中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶激活的比例光聲納米探針（SPNE），用于非侵入性、實(shí)時(shí)成像動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的易損性。動(dòng)脈粥樣硬化是全球心血管疾病的主要誘因，其中中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（NE）作為一種關(guān)鍵蛋白酶，通過降解細(xì)胞外基質(zhì)和破壞斑塊纖維帽穩(wěn)定性，顯著加劇疾病進(jìn)展。然而，現(xiàn)有NE檢測(cè)方法無法在活體內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該納米探針具備高選擇性、高靈敏度和強(qiáng)抗干擾能力，成功建立了體內(nèi)光聲信號(hào)比率與NE濃度的定量關(guān)系，并引入易損性指數(shù)評(píng)估斑塊不穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，SPNE能夠預(yù)測(cè)炎癥反應(yīng)對(duì)斑塊破裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，并可視化炎癥條件下內(nèi)膜增生中NE的動(dòng)態(tài)變化，為心血管疾病研究提供了重要工具。
本研究成果由Hui Cao、Xin Meng、Yuan Ma、Zhe Li、Xinyu Xu、Jiaqi Fu、Qingpeng Zhang、Hanlin Wei、Peng Liang、Dingyou Lu、Jinyu Li、Baoli Yin、Shuangyan Huan、Xiao-Bing Zhang和Guosheng Song共同完成，論文題為“Neutrophil elastase-activatable ratiometric photoacoustic nanoprobes for imaging atherosclerotic plaque vulnerability”，于2025年10月在《Nature Communications》期刊在線發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
01探針設(shè)計(jì)與合成機(jī)制
本研究核心是開發(fā)一種中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（NE）激活的比例光聲納米探針（SPNE）。SPNE由兩部分組成：一是NE響應(yīng)性探針（NERP），作為可激活的光聲模塊；二是基于苯并三唑的融合環(huán)分子，作為NE非響應(yīng)性參考信號(hào)。NERP通過將NE可切割的肽底物（N-乙酰-Ala-Ala-Pro-Val-COOH）與半花青熒光團(tuán)（Hcy）通過脫水縮合反應(yīng)合成。在未激活狀態(tài)下，SPNE僅產(chǎn)生微弱的光聲信號(hào)；當(dāng)與NE反應(yīng)后，肽段被切割，恢復(fù)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，導(dǎo)致在695納米波長(zhǎng)處光聲信號(hào)顯著增強(qiáng)，而800納米波長(zhǎng)處的信號(hào)保持不變。這種設(shè)計(jì)使得PA695/PA800比率直接反映NE活性。納米探針通過納米共沉淀法合成，使用聚苯乙烯-馬來酸酐（PSMA）和DSPE-PEG2000作為表面活性劑，形成粒徑約40納米的球形顆粒，具備良好的膠體穩(wěn)定性。
SPNE在溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和特異性。吸收光譜和熒光光譜測(cè)試顯示，隨著NE濃度增加，695納米處吸光度和光聲信號(hào)線性增強(qiáng)，而800納米信號(hào)保持穩(wěn)定。線性響應(yīng)范圍為0-2 U/L，檢測(cè)限低至27.957 mU/L。邁克爾遜-曼滕動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，SPNE與NE的親和力高，催化效率為1.833 μM⁻¹s⁻¹。此外，SPNE對(duì)活性氧和其他酶類（如堿性磷酸酶、基質(zhì)金屬蛋白酶2）無明顯響應(yīng)，顯示出強(qiáng)抗干擾能力。光聲成像驗(yàn)證了PA695/PA800比率在不同掃描截面、探針濃度和多次激發(fā)下均保持穩(wěn)定，確保了體內(nèi)應(yīng)用的可靠性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，SPNE能夠特異性識(shí)別NE高表達(dá)的中性粒細(xì)胞，并通過流式細(xì)胞術(shù)和共聚焦顯微鏡證實(shí)其低細(xì)胞毒性和高選擇性。
03體內(nèi)光聲成像與NE定量分析
在ApoE基因敲除小鼠模型中，通過高脂飲食誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成。研究采用空間定位技術(shù)，將體內(nèi)光聲信號(hào)與離體斑塊位置精確匹配。通過植入基準(zhǔn)標(biāo)記，記錄光聲圖像坐標(biāo)，并與解剖后的斑塊距離對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了PA信號(hào)與斑塊NE含量的關(guān)聯(lián)。ELISA測(cè)試顯示，不同斑塊片段中的NE含量與PA695/PA800比率呈強(qiáng)線性相關(guān)（R²=0.986），首次實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)NE的定量化分析。同時(shí)，離體熒光成像結(jié)果與光聲信號(hào)趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了SPNE的可靠性。在頸動(dòng)脈斑塊模型中，SPNE成功監(jiān)測(cè)了炎癥（脂多糖誘導(dǎo)）和藥物干預(yù)（羅蘇伐他汀和地塞米松聯(lián)合治療）對(duì)NE動(dòng)態(tài)變化的影響。炎癥刺激顯著提升PA比率，而藥物治療有效降低NE水平，表明抗炎和降脂聯(lián)合療法可穩(wěn)定斑塊。
04斑塊易損性評(píng)估與病理驗(yàn)證
本研究創(chuàng)新性地引入了斑塊易損性指數(shù)（VI），公式為VI = （巨噬細(xì)胞% + 壞死核心%）/ （平滑肌細(xì)胞% + 膠原纖維%）。該指數(shù)綜合了斑塊易損的四個(gè)關(guān)鍵成分：巨噬細(xì)胞（促進(jìn)炎癥）、平滑肌細(xì)胞（維持結(jié)構(gòu)）、壞死核心（增加破裂風(fēng)險(xiǎn)）和膠原纖維（提供機(jī)械穩(wěn)定性）。組織病理學(xué)分析（如免疫熒光染色、H&E染色和Sirius紅染色）顯示，易損性指數(shù)與PA695/PA800比率高度相關(guān)（R²=0.941）。在頸動(dòng)脈斑塊實(shí)驗(yàn)中，炎癥組巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和壞死核心比例顯著升高，而平滑肌細(xì)胞和膠原纖維減少，導(dǎo)致易損性指數(shù)上升；藥物治療組這些指標(biāo)得到改善，證實(shí)SPNE能有效預(yù)測(cè)斑塊破裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，SPNE還應(yīng)用于內(nèi)膜增生模型，實(shí)時(shí)成像了NE在血管損傷修復(fù)中的動(dòng)態(tài)變化，為術(shù)后再狹窄研究提供了新視角。
創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究突破了動(dòng)脈粥樣硬化成像中的兩大難題：一是傳統(tǒng)單波長(zhǎng)光聲探針易受探針濃度、清除動(dòng)力學(xué)和局部環(huán)境干擾，無法實(shí)現(xiàn)定量分析；二是體內(nèi)光聲信號(hào)與實(shí)際NE含量難以關(guān)聯(lián)。SPNE通過比例設(shè)計(jì)（PA695/PA800）實(shí)現(xiàn)了自校準(zhǔn)，消除了外部變量影響，首次建立了體內(nèi)NE定量方法。技術(shù)層面，該探針結(jié)合了半導(dǎo)體聚合物納米材料的高穩(wěn)定性和比例光聲成像的深部組織穿透能力（可達(dá)數(shù)毫米），空間分辨率高，優(yōu)于熒光成像的有限穿透深度和光散射問題。
在實(shí)際應(yīng)用價(jià)值上，SPNE為光學(xué)生物醫(yī)療領(lǐng)域提供了革命性工具。在心血管疾病中，它允許非侵入性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斑塊炎癥狀態(tài)，助力早期診斷和風(fēng)險(xiǎn)分層。例如，在個(gè)性化醫(yī)療中，醫(yī)生可根據(jù)NE水平定制抗炎或降脂方案，優(yōu)化治療策略。同時(shí)，該技術(shù)適用于術(shù)后監(jiān)測(cè)，如血管介入后的內(nèi)膜增生評(píng)估，減少再狹窄導(dǎo)致的二次傷害。展望未來，SPNE的模塊化設(shè)計(jì)可適配其他蛋白酶靶點(diǎn)，拓展至腫瘤或炎癥性疾病成像，推動(dòng)分子影像學(xué)發(fā)展。
總結(jié)與展望
本論文成功開發(fā)了一種中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶激活的比例光聲納米探針，通過比例信號(hào)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)脈粥樣硬化斑塊內(nèi)NE的體內(nèi)定量成像，并結(jié)合易損性指數(shù)提供了斑塊穩(wěn)定性的綜合評(píng)估工具。實(shí)驗(yàn)證明，SPNE具備高靈敏度、強(qiáng)特異性和抗干擾能力，在炎癥模型和藥物治療監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出色。未來工作可聚焦于臨床轉(zhuǎn)化，如優(yōu)化探針生物相容性以用于人體試驗(yàn)，或整合多模態(tài)成像技術(shù)提升診斷精度。此外，探索環(huán)境因素（如生活方式）對(duì)斑塊炎癥的影響，將有助于心血管疾病的預(yù)防醫(yī)學(xué)發(fā)展。總之，SPNE為心血管研究開辟了非侵入性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的新途徑，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Cao H, Meng X, Ma Y, Li Z, Xu X, Fu J, Zhang Q, Wei H, Liang P, Lu D, Li J, Yin B, Huan S, Zhang XB, Song G. Neutrophil elastase-activatable ratiometric photoacoustic nanoprobes for imaging atherosclerotic plaque vulnerability. Nat Commun. 2025 Oct 31;16(1):9635.
DOI:10.1038/s41467-025-64633-2.
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