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【JACS】信噪比高达4000:1，新型近红外阿尔茨海默病淀粉样蛋白聚集的实时追踪荧光探针 ​

这篇文章探讨了一种能够敏感检测整个淀粉样β蛋白（Aβ42）聚集路径的近红外溶致变色荧光探针（Phazr-N3），其在阿尔茨海默病（AD）研究中的潜在应用。该荧光探针通过环境敏感的光谱变化，自最初的纳米级寡聚体到最终形成大规模斑块的过程中，对Aβ42聚集进行实时追踪。研究展示了Phazr-N3能够在无洗涤条件下，以极高信号背景比（>4000:1）标记合成斑块，并且能够检测出标准淀粉样荧光染料ThT无法观测到的结构细节。这为研究Aβ42聚集的早期事件以及其与神经退行性疾病的关系提供了新的工具。

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背景与研究目的 ​

阿尔茨海默病（AD）是一种神经退行性疾病，其特征之一是Aβ42蛋白的聚集形成大规模斑块。然而，越来越多的证据表明，真正的神经毒性因子可能是聚集路径中的可溶性纳米级寡聚体，而非最终形成的斑块。这些寡聚体的具体结构、形成机制及其如何演变成宏观斑块，仍然是科学界未解的难题。

传统的荧光探针（如ThT）主要用于检测晚期的纤维化斑块，并且通常具有较长的滞后期，无法有效捕捉聚集过程中的早期事件。因此，研究者们开发了一种近红外溶致变色荧光探针——Phazr-N3，它能够对整个Aβ42聚集路径进行非侵入性的实时监测。此探针可以在极低浓度（1 mol%）下使用，并且不会显著干扰Aβ42的聚集动力学，使其成为研究早期聚集事件的理想工具。

荧光探针Phazr-N3的设计与特点 ​

Phazr-N3是一种磷酸氧化脒罗丹荧光分子，其采用了推-拉电子结构，并具有氮杂环丁烷功能化的磷酸氧桥，赋予其独特的溶致变色特性。在不同极性的环境中，它的发射峰会发生显著的红移或蓝移，使其成为检测蛋白聚集过程中环境变化的敏感探针。

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研究显示，Phazr-N3在非极性溶剂中（如甲苯）具有630 nm的荧光发射峰，而在水性缓冲液中则发生显著红移至703 nm。此外，Phazr-N3在不同溶剂中的量子产率最高可达62%，在中等极性的溶剂（如丙酮）中的荧光亮度最高。相比于传统的荧光染料，Phazr-N3具有更大的斯托克斯位移（>100 nm），更广泛的吸收光谱范围，以及更低的吸收峰消光系数，这使其在荧光成像中具有显著优势。

Phazr-N3在Aβ42聚集监测中的应用 ​

研究团队使用Phazr-N3对合成的Aβ42蛋白进行了实时聚集监测，发现该荧光探针在聚集诱导后立即发生溶致变色变化，并在12小时内经历多个聚集阶段。相比于传统的ThT荧光探针，Phazr-N3的荧光强度变化更为稳定，并且不会受到ThT测定中的高变异性影响。

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此外，研究表明，Phazr-N3对自由态Aβ42的结合亲和力达到微摩尔级，在聚集过程中能够持续检测并报告周围环境的逐步脱水过程。荧光各向异性测量显示，与Aβ42结合的Phazr-N3比单独存在时显示出更大的各向异性，表明其结合过程中发生了明显的结构变化。该探针能够以纳米级分辨率检测到Aβ42的液-液相分离现象，并揭示其聚集过程中疏水环境的变化。

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荧光成像与生物应用 ​

Phazr-N3的近红外特性使其在生物成像中具有优势，包括：

  • 低光毒性：相比于紫外或可见光荧光染料，Phazr-N3的激发光不会对生物样本造成显著损害。

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  • 高信号背景比（SBR）：在斑块成像中，Phazr-N3的荧光信号比背景高出4000倍以上，即使与微胶质细胞或血清蛋白共存，仍然保持高选择性结合斑块。
  • 实时跟踪：在无洗涤条件下，Phazr-N3能够在合成Aβ42斑块和活细胞环境中长时间保持荧光稳定性，适用于动态监测。 image.png

未来展望 ​

Phazr-N3的成功开发为研究Aβ42聚集的早期过程及其生物学影响打开了新窗口。未来的研究可能涉及：

  • 与活细胞共培养：研究Aβ42聚集如何影响神经细胞功能，并探索微胶质细胞在斑块形成中的作用。
  • 体内实时成像：利用Phazr-N3监测动物模型中Aβ42聚集的动态变化，以评估其与阿尔茨海默病发展的关系。
  • 药物筛选：采用Phazr-N3对潜在的抗Aβ42聚集药物进行快速筛选，寻找可能影响聚集路径的治疗候选物。

结论 ​

Phazr-N3作为一种溶致变色近红外荧光探针，不仅能够在极低浓度下结合自由态Aβ42，还能够全程跟踪其聚集路径，提供实时、无侵入性的聚集监测。其超高信号背景比、环境敏感性及生物兼容性，使其成为研究阿尔茨海默病机制和开发新型药物的有力工具。这项研究的突破性发现，将有助于深入理解神经退行性疾病的分子基础，并推动创新治疗方法的发展。

参考文献 ​

Wang, Z.; Kristensen, L. G.; Ho, Y. H.; Liu, Y.; Valencia, L. A.; Nadig, I.; Range, K. L.; Rad, B.; Ralston, C. Y.; Cohen, B. E. A Solvatochromic Near Infrared Fluorophore Sensitive to the Full Amyloid Beta Aggregation Pathway. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.5c01512. https://doi.org/10.1021/jacs.5c01512.