通過腎臟代謝的激活型NIR-II金納米探針實現對腎臟GSH實時動態(tài)監(jiān)測

本文要點：谷胱甘肽（GSH）在維持腎臟氧化還原穩(wěn)態(tài)中起關鍵作用，因此實現腎臟GSH的實時動態(tài)監(jiān)測對早期診斷與預防腎臟氧化還原失衡具有重要意義。本研究設計出智能激活型、腎臟可清除的近紅外二區(qū)金納米簇（Au NCs），用于腎臟GSH表達水平的實時動態(tài)監(jiān)測。所設計的金納米簇經血液運輸至腎臟后，被腎內GSH快速激活并產生近紅外二區(qū)熒光；更重要的是，成功實現了對茴三硫（ATT）和丁硫氨酸-亞砜亞胺（L-BSO）藥物誘導的腎臟GSH變化的原位動態(tài)監(jiān)測。此外，激活后的金納米簇可通過尿液快速清除排泄。該成果為腎臟GSH表達水平的原位實時動態(tài)監(jiān)測提供了新策略。

方案1. 腎臟GSH激活和可清除NIR-II熒光Au-NCs的設計圖，用于原位監(jiān)測腎臟GSH水平

本研究設計出快速響應型、腎臟可清除的金納米簇（Au NCs），用于腎臟內谷胱甘肽（GSH）水平的實時動態(tài)近紅外二區(qū)監(jiān)測。該無近紅外二區(qū)熒光特性的金納米簇通過在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液中還原氯金酸制備而成。實驗表明，該金納米簇可被GSH快速激活，在808 nm光激發(fā)下產生濃度依賴性的近紅外二區(qū)發(fā)射，其對GSH的檢測限低至∼0.14 μM。更重要的是，體內近紅外二區(qū)成像實驗證實：腎臟內的GSH成功激活了金納米簇的近紅外二區(qū)熒光，其發(fā)射強度與腎臟GSH表達水平密切關聯。此外，激活后的金納米簇可快速代謝至膀胱，最終經尿液排出體外。

圖1. Au NCs合成示意圖和表征

金納米簇（Au NCs）的制備過程如示意圖1和圖1a所示：在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液中利用NaBH4還原HAuCl4，制備出無近紅外二區(qū)熒光的金納米簇。透射電子顯微鏡（TEM）圖像（圖1b）表明成功制備出分散性和穩(wěn)定性優(yōu)異的金納米簇，其尺寸約為2納米，且在48小時內未觀察到顯著尺寸變化，證實其具有良好的穩(wěn)定性。為探究金納米簇與谷胱甘肽（GSH）的相互作用，測試了二者混合后的吸收光譜。結果顯示混合后金納米簇的光吸收能力增強（圖1c）。通過TEM觀測混合體系發(fā)現，金納米簇與GSH結合形成了Au NCs-GSH復合物。進一步測量復合物的zeta電位表明：隨著GSH濃度增加，復合物的zeta電位逐漸降低（圖1d），這主要歸因于更高濃度的GSH與金納米簇結合。最后，利用X射線光電子能譜（XPS）研究了二者的結合機制：XPS譜圖顯示復合物中金呈現0價和+1價態(tài)，而硫元素形成了Au-S鍵（圖1e-g），證實了金納米簇與GSH的高效結合。

圖2. 金納米簇（Au NCs）的GSH激活NIR-II熒光研究

本研究設計的金納米簇（Au NCs）本身不具備近紅外二區(qū)發(fā)射特性。當與谷胱甘肽（GSH）結合后，其金屬內核重構為金屬-配體復合物，從而激活近紅外二區(qū)熒光發(fā)射（圖2a）�；�于配體-金屬-金屬電荷轉移（LMMCT）機制（46,47），熒光強度隨GSH濃度梯度升高而增強。為驗證該激活特性，測試了不同濃度GSH激活的金納米簇近紅外二區(qū)發(fā)射光譜：如圖2b所示，其發(fā)射強度與GSH濃度呈正相關，發(fā)射峰位于1000 nm附近。利用近紅外二區(qū)成像系統(tǒng)進一步考察GSH激活的熒光成像性能，圖2c,d顯示金納米簇熒光強度與GSH濃度呈現優(yōu)異線性關系，對GSH的檢測限達0.14微摩爾/升，證實其卓越的GSH響應能力。為驗證特異性，將金納米簇與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、半胱氨酸、H₂O₂、ClO⁻等活性物質混合后進行成像實驗。如圖2e,f及圖S6所示，僅當GSH作為激活劑時金納米簇才呈現明亮的近紅外二區(qū)發(fā)射，表明該材料可被GSH特異性激活。通過延時成像考察響應速率：含GSH的金納米簇溶液在數分鐘內熒光強度迅速增強（圖2g,h），10分鐘后增速顯著放緩，而對照組始終無熒光產生，證明GSH能快速激活其近紅外二區(qū)發(fā)射。最后考察Au NCs-GSH體系的光穩(wěn)定性：經808 nm激光持續(xù)照射10分鐘后，金納米簇仍保持穩(wěn)定的近紅外二區(qū)發(fā)射（圖2i,j）。綜上，該金納米簇對GSH具有高響應性、快速響應速度、優(yōu)異特異性及高光穩(wěn)定性，在近紅外二區(qū)成像檢測體內GSH方面展現出良好潛力。

圖3. 4T1腫瘤和腎臟NIR-II成像研究

為探究體內GSH的檢測性能，研究團隊對腫瘤及腎臟GSH進行了原位近紅外二區(qū)成像（圖3a）。在進行內源性GSH檢測前，首先開展外源性GSH體內檢測實驗：將等體積PBS溶液與GSH溶液分別注射至小鼠背部左右兩側皮下，隨后在注射部位注入等量金納米簇溶液。如圖3b,c所示，GSH注射部位在40分鐘內近紅外二區(qū)信號急劇增強，這很可能源于預先注射的GSH與金納米簇快速結合；而PBS注射部位則未觀察到明顯熒光變化。通過體外細胞毒性實驗和體內器官損傷評估進一步考察金納米簇的生物安全性。圖3d顯示CCK-8實驗表明金納米簇對4T1細胞無顯著毒性。此外，通過尾靜脈注射金納米簇前（0天）及注射后（1天、3天）采集小鼠血清樣本，檢測腎功能標志物肌酐（CREA）和血尿素氮（BUN）水平。

隨后將金納米簇用于4T1腫瘤檢測（圖3a）。原位注射金納米簇溶液后，小鼠腫瘤部位出現明亮的近紅外二區(qū)發(fā)射（圖3e,f），表明腫瘤部位GSH成功激活了金納米簇的熒光發(fā)射。鑒于金納米簇尺寸僅約2納米，其具備腎臟GSH原位近紅外二區(qū)成像的潛力。研究者在注射金納米簇溶液后對小鼠腎臟進行近紅外二區(qū)成像（圖3a）。本實驗中，僅注射金納米簇溶液的小鼠作為對照組，而行雙側腎動脈結扎術后注射金納米簇的小鼠作為結扎組。圖3g,h顯示：注射金納米簇30分鐘后，對照組小鼠腎臟區(qū)域呈現強近紅外二區(qū)熒光，膀胱區(qū)域也觀察到類似發(fā)光現象，這可能是由于腎臟內GSH激活金納米簇后代謝至膀胱所致；而結扎組小鼠的腎臟和膀胱區(qū)域均未檢測到近紅外二區(qū)信號，證實金納米簇主要在腎臟內被激活。后續(xù)分別采集對照組與結扎組的腎臟、肝臟、血液及尿液樣本進行成像分析。結果（圖3i-k）表明：對照組腎臟與尿液樣本顯示出強近紅外二區(qū)信號，而肝臟和血液樣本幾乎無信號；結扎組的肝臟、腎臟、血液及尿液樣本均未觀察到顯著信號（圖3i-k），進一步驗證了金納米簇的腎臟GSH激活特性。因此，本研究設計的金納米簇探針可被腎臟GSH快速激活，并能通過尿液迅速排出體外。

圖4. 利用金納米簇原位監(jiān)測腎臟GSH水平的近紅外二區(qū)成像

為驗證所設計金納米簇對腎臟GSH水平的實時動態(tài)監(jiān)測能力，研究通過茴三硫（ATT）和丁硫氨酸-亞砜亞胺（L-BSO）分別上調和下調GSH表達，構建了兩種腎臟GSH水平不同的小鼠模型（圖4a）。如圖4b所示，L-BSO處理組小鼠腎臟GSH表達顯著降低，而ATT處理組則顯著升高，表明不同腎臟GSH水平的小鼠模型構建成功。隨后向ATT組、L-BSO組及正常小鼠靜脈注射等量金納米簇溶液，監(jiān)測其背部與腹部近紅外二區(qū)成像：圖4c,d顯示ATT組小鼠腎臟信號顯著強于正常組，而L-BSO組腎臟信號則弱于對照組；膀胱區(qū)域信號變化趨勢與腎臟一致（圖4e,f）。收集小鼠尿液檢測發(fā)現，ATT組尿液近紅外二區(qū)信號最強，L-BSO組最弱（圖4g）。離體器官成像結果顯示僅腎臟呈現顯著信號，其強度變化趨勢與前述實驗結果相符（圖4h,i），證實該金納米簇能高效實現腎臟GSH水平的實時動態(tài)監(jiān)測。

本研究設計出一種具有快速腎臟清除特性的激活型高靈敏度GSH特異性近紅外二區(qū)熒光納米簇（金納米簇），用于實時監(jiān)測腎臟GSH表達水平。當接觸GSH時，金納米簇迅速形成復合物（Au NCs-GSH）并開啟近紅外二區(qū)熒光，實現檢測限達0.14微摩爾/升的GSH檢測。該納米簇可通過血液循環(huán)在腎臟快速激活并排泄。更重要的是，在藥物誘導小鼠模型中成功實現了腎臟GSH的實時動態(tài)近紅外二區(qū)熒光監(jiān)測，其熒光強度與GSH表達水平密切關聯，表明該技術能對腎臟GSH水平進行高精度特異性成像。

參考文獻

Wen, Xingwang, et al. "Activatable and Renal Metabolizable NIR-II Emissive Au Nanoprobe for Real-Time Monitoring of Kidney GSH." Nano Letters (2025).

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