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四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室柯博文团队:小鼠活体水平钴蓄积的生物发光成像

四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室柯博文团队于2018年3月在Analytical Chemistry发表文章”In Vivo Bioluminescence Imaging of Cobalt Accumulation in a Mouse Model”(影响因子6.24)(长按下方二维码即可阅读原文)。




钴是极为重要的生命元素,是生物体内必需的微量元素,对生物体的新陈代谢至关重要。在氢酶、甲基辅酶M还原酶、一氧化碳脱氢酶、超氧歧化酶和尿酶活性中心中均发现钴离子(Co2+),而Co2+本身也具有多种重要生理作用,在神经系统正常功能的维持、红细胞的生成、DNA合成和氨基酸代谢等各种生理过程中扮演着十分重要的角色。众所周知,人体内钴缺乏会导致心血管、贫血、骨髓炎、青光眼等系列严重疾病。因此钴稳态对于机体正常生理机能的重要性可见一斑


由于长期缺乏有效的生物分析工具,使得Co2+的生物学研究无法深入。亟需一种可以实现活体水平Co2+的动态可视化检测的方法和工具以深入探究钴相关的生理和病理过程。为了解决这一难题,课题组设计和发展了全世界第一个可用于活体成像的Co2+探针。利用基于生物发光成像(bioluminescence imaging,BLI)技术的非入侵性策略构建了检测平台,以满足Co2+在动物体内成像的严格标准。此方法打破传统荧光成像的固有局限性,表现出灵敏度高和背景干扰低等显著优势,十分适用于深部组织成像和长期活体动物的研究。利用“cage”策略,将适当的保护基团与萤光素酶底物相连接,阻止生物发光的产生,当目标分析物选择性地与探针相互作用之后,释放萤光素酶底物,随后萤光素酶可以将ATP的化学能转移到光信号中从而可以进行分析检测。课题组设计并合成的一种用于选择性检测Co2+的新型Co2+生物发光探针(CBP-1)验证了这一概念的可行性。通过使用这种探针,我们成功地实现了第一次在完整的活体动物模型中实时监测Co2+水平波动的生物成像,这为研究Co2+在体内的系统分布、毒性、生物效应以及理解生物系统中钴参与的复杂分子过程提供了有力的分析手段。


用于Co2+检测的CBP-1构建机制图(上)以及腹腔内给药注射CBP-1的FVB-luc+ 小鼠在Co2+(200 µL,100 mmol/L)口服给药后1、24、48、72 h的生物发光成像(左)和总光通量(photon/s)结果(右)


专家点评


杨浩教授:基于萤火虫-萤光素酶生物发光体系所建立的特异性小分子光学探针,通过引入能与Co2+络合并发生化学键断裂的反应,成功地将探针应用于体内实时原位检测Co2+的含量、分布及动态变化。钴参与体内多种生理过程,其不正常的变化会造成体内生态平衡的紊乱,从而引发各类疾病。由于活体水平,人体和动物本身并没有生物发光的信号,因此生物发光探针干扰小、信噪比高、灵敏度好及选择性强,较传统检测方法具有可实时原位检测等无可比拟的优势。基于已建立的生物发光体系,使用四价配体N3O结构作为Co2+特异性的识别基团,应用所发展的生物发光探针设计策略,实现对Co2+高灵敏度、高选择性的分析检测。在成功开发探针的基础上,进一步考察了不同摄入途径对体内Co2+蓄积的影响,也进一步验证了所发展的Co2+探针的科学价值。



杨浩副研究员,2010年于华西临床医学院获得博士学位,2013年博士后出站并留四川大学华西医院卫健委重点实验室工作。2018年开始从事蛋白质组学研究,并兼职主管四川大学华西医院蛋白质组学公共技术平台。研究工作主要围绕肿瘤等慢性疾病,利用蛋白质工程手段开发新型蛋白质靶向分子机器,针对相关靶点进行诊断和干预治疗研究,同时利用蛋白质组学等方法研究疾病发生发展分子机制,描画疾病相关生物标志物图谱。重点围绕肿瘤免疫分子肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TNF-related apoptosis-inducing ligand,TRAIL)开展药物长效化靶向递送和联合用药等工作,致力于推动TRAIL向临床转化。主持国家自然科学基金(NSFC)面上项目、NSFC青年基金、中国博士后基金特别资助、中国博士后基金面上项目、四川大学博士后专项基金特别资助等项目。作为主研人员,参与临床重点专科重点实验室建设项目、国家科技部973等10余项研究。以第一作者和(或)通讯作者在Theranostics、J Control ReleaseJ Biol Chem 等杂志发表SCI论文十余篇。


作者投稿心得


作为体内重要元素,Co2+的体内分析与监测是课题组一直关注的方向。然而,如何获得Co2+特异性检测的识别基团,在研究的很长一段时间里,课题组通过大量的工作和筛选,并找到没有合适的思路。但在另外一个研究中,所设计的探针没有表现出对检测底物的灵敏度和特异性,却显示出对Co2+具有良好的分析功能。从某种程度上讲,大量的筛选+好的运气是这篇文章能够发表的关键词。


第一作者



柯博文理学博士,硕士研究生导师,四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室研究员。课题组围绕围术期医学重大需求,综合麻醉学、神经科学、药学等多学科交叉,在转化医学的研究与创新方面开展了系统的探索性工作,形成了极具个人特色的研究体系:开发了全世界第一个一氧化碳药物;聚焦临床应用进行麻醉药物的创新研究;发展分子探针和光学技术实现手术可视化。所在团队承担了十余项科研课题,其中包括:担任国家科学部“十二五”重大新药创制课题副组长、主持国家自然科学基金2项等。目前以通讯作者和(或)第一作者发表SCI文章数十篇,单篇论文最高影响因子40.18;授权中国专利3项,国际专利3项。所主持和参与开发四个麻醉手术新药的临床前/临床Ⅱ期/临床Ⅲ期研究。先后荣获Cell出版社国际学术奖、中国药学会-施维雅青年药物化学家奖、四川大学青年科技人才奖,四川大学优秀青年学者奖等多项荣誉。现任中华医学会麻醉分会临床研究及转化医学组副组长、四川省“千人计划”特聘专家、四川省智能医学分会理事。相关研究成果被健康报、人民网、新浪网等数十家媒体报道和转载。



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本文编辑:张世雯

本文排版:陈红梅 张洪雪

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