本文要点：三甲胺（TMA）作为一种人类肠道微生物群的代谢产物，已经吸引了越来越多医学研究人员的关注。在肝脏中，TMA可以进一步氧化成三甲胺氧化物（TMAO），此物质是人类心血管疾病、慢性肾脏疾病、糖尿病、癌症等疾病发病的重要风险因子。因此，迫切需要开发有效的检测方法来监测TMA，以进行疾病预测和诊断。本文开发出一种基于分子间电荷转移的新型有机NIR-II荧光分子ZS-1010，可作为近红外二区荧光探针用于三甲基甲胺(TMA)的检测。这对诊断心血管疾病和慢性肾脏疾病具有重要意义。ZS-1010的吸收发射波长均位于近红外-II区。当与具有强电子给体特性的TMA混合时，ZS-1010的电子分布将随着偶极矩的变化而受到影响，从而导致荧光的熄灭，指示TMA的存在。这是NIR-II区中TMA荧光探针的第一个例子，显示出渗透深、响应快、选择性高和对pH稳定的优势。
图1. TMA与探针相互作用
ZS-1010的主要吸收峰在1010nm左右，当被980nm的光激发时，在1080纳米的近红外II区有强烈的荧光发射（图2）。如表所示，在不同的溶剂（DCM, DMSO, Ethanol,Methanol, NMP, PBS）中测定了ZS-1010的摩尔吸收系数和荧光量子产率。
图2. ZS-1010的吸收发射光谱
为了证明TMA淬灭荧光的可行性，在ZS-1010溶液中加入不同浓度的三甲胺。随着加入的TMA浓度逐渐升高，溶液的吸收强度逐渐减弱，颜色从蓝色变为红色 (图2a)。此外，吸收强度的下降与TMA的浓度呈良好的线性关系（0-100μM，图2c）。之后检测探针荧光强度与TMA浓度的关系。随着TMA的加入，1080nm附近的荧光发射强度逐渐下降（图2d）。当TMA的浓度达到3mM时，1080nm处的荧光几乎被熄灭（图2e）。与吸收相似，荧光强度的下降也与TMA的浓度表现出良好的线性关系（0-200μM，图2f）。ZS-1010和TMA的结合动力学也得到了评估。荧光强度在加入TMA后3分钟达到了平稳状态，之后一直保持低强度状态表明 ZS-1010-TMA复合物的荧光是稳定的 (图3a和3b)。以上结果说明探针可在TMA的作用下发生吸收度减少和荧光淬灭的现象，两者可在3分钟后保持稳定结合。
图3. a) 不同浓度TMA下的ZS-1010吸收光谱变化b）最大吸收波长处的吸收率变化c) ZS-1010的吸收强度与TMA浓度之间的线性关系d）不同浓度TMA下的ZS-1010荧光光谱变化 e) 最大发射波长处的荧光强度变化f) ZS-1010的荧光强度与TMA浓度的线性关系
图4. a)加入TMA(3mM)不同时间后的荧光光谱b)加入TMA后不同时间的荧光强度
为了探索ZS-1010对TMA的结合机制，文章使用高斯软件进行了密度泛函理论计算。TMA的HOMO轨道电子能级位于ZS-1010的HOMO轨道和LUMO轨道之间。当ZS-1010被光激发时，荧光分子吸收了光子的能量，HOMO轨道上的电子可以跳到LUMO轨道上。TMA的HOMO轨道上具有给电子能力的电子将被转移到ZS-1010的HOMO轨道。电子转移导致LUMO轨道上的激发电子不能回到原来的HOMO轨道，导致ZS-1010的荧光被淬灭。因此，荧光淬灭的机制可以归结为TMA和ZS-1010之间的光诱导电子转移（PET）（图5a）。此外，1H NMR谱也被用来研究ZS-1010对TMA的反应机制。从图5b可以看出，当加入TMA时，ZS-1010分子的化学位移移到了高场，说明给电子的TMA增加了ZS-1000的电子云密度。
图5.a）ZS-1010和TMA的轨道能计算b）ZS-1010、TMA和ZS-1010-TMA混合物的1H NMR谱图
此外，文章研究了ZS-1010对TMA的选择性和稳定性。对于各种与生物相关的活性物质，包括氨基酸（丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸、丝氨酸、缬氨酸）和阴/阳离子 (FeCl3、NaHSO3、MnCl2、NH4Cl、NaBr），在980nm的激发波长下测量ZS-1010的荧光变化，与TMA导致的荧光变化相比较，结果表明只有TMA会导致ZS-1010荧光强度下降，显示出探针的选择性（图5a）。再考察pH对荧光的影响。文章选择了3、4、5、6、7、8、9作为考察pH值，结果显示探针本身显示出良好的pH稳定性，而且ZS-1010对TMA的反应不受环境pH值的影响（图5b）。上述结果表明，ZS-1010对TMA具有良好的选择性和稳定性，使得它具备在体外和体内检测TMA的可能性。
图6. a) ZS-1010(20 μM)经丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸、丝氨酸、缬氨酸、FeCl3、NaHSO3、MnCl2、NH4Cl、NaBr、TMA处理后的荧光变化（分别为3mM）b）ZS-1010的pH稳定性（红色柱形代表不含TMA的荧光强度，蓝色柱形代表加入TMA后的荧光强度）
综上所述，文章开发了一种新的有机近红外二代荧光分子（ZS-1010）用于检测三甲胺（TMA）。它在近红外二区具有强大的吸收发射，当与TMA混合时，探针的电子分布受到影响，导致荧光的淬灭。探针具有快速反应速度、高选择性和pH稳定性。它可以为TMA有关的疾病提供诊断上的帮助。
参考文献
⭐️ ⭐️ ⭐️
NIR-II in vivo imaging system
高灵敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相机，活体穿透深度高于15mm
高分辨率 - 定制高分辨大光圈红外镜头，空间分辨率优于3um
荧光寿命 - 分辨率优于 5us
高速采集 - 速度优于1000fps （帧每秒）
多模态系统 - 可扩展X射线辐照、荧光寿命、一区荧光成像、原位成像光谱，CT等
显微镜 - 近红外二区高分辨显微系统，兼容成像型光谱仪
有不同型号的样机可以测试，请联系：
艾中凯(博士)
132 6299 1861
⭐️ ⭐️ ⭐️
恒光智影
上海恒光智影医疗科技有限公司，专注于近红外二区成像技术。致力于为生物医学、临床前和临床应用等相关领域的研究提供先进的、一体化的成像解决方案。自主研发近红外二区小动物活体荧光成像系统-MARS。
与基于可见光波长的传统成像技术相比，我们的技术侧重于X射线、紫外、红外、短波红外、太赫兹范围，可为肿瘤学、神经学、心血管、药代动力学等一系列学科的科研人员提供清晰的成像效果，助力科技研发。
同时，恒光智影还具备探针研发能力，我们已经成功研发了超过15种探针，这些探针将广泛地应用于众多生物科技前沿领域的相关研究中。
⭐️ ⭐️ ⭐️
上海恒光智影医疗科技有限公司
地址：上海市浦东新区张江高科碧波路456号 B403-3室
网址：www.atmsii.com
邮箱：ai@atmsii.com
电话：132 6299 1861 （同微信）
扫一扫在手机上阅读本文章
上海恒光智影医疗科技有限公司
专注近红外二区成像技术
关注“恒光智影”公众号
