光聲應(yīng)用：選擇性檢測肥胖相關(guān)的兩種酶活性
背景：
肥胖是一種因體內(nèi)過量脂肪堆積而導(dǎo)致的慢性病，長期肥胖產(chǎn)生的系統(tǒng)性炎癥（Systemic inflammation）常常導(dǎo)致和加重心血管疾病、二型糖尿病、高血壓甚至腫瘤等病癥。作為炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵介質(zhì)，單�；视椭福∕onoacylglycerol lipase，MGL）和脂肪酰胺水解酶（Fatty acid amide hydrolase，F(xiàn)AAH）可共同作用生成花生四烯酸（Arachidonic acid，AA），而花生四烯酸在肥胖者體內(nèi)與食欲、新陳代謝速率有著直接關(guān)聯(lián)。因此，如果能夠監(jiān)控體內(nèi)單酰基甘油脂酶（MGL）和脂肪酰胺水解酶（FAAH）的含量或濃度，就可以一定程度上預(yù)測被測者的罹患段首所述病癥的可能性。然而傳統(tǒng)用于確定這兩種酶表達(dá)水平的免疫組織化學(xué)染色等方法無法直觀評估酶活性，因為酶活性可能因底物的濃度、輔助因子以及局部組織環(huán)境的變化（如pH）而發(fā)生顯著變化。
探針設(shè)計
針對于該限制，Melissa Y Lucero等人首次開發(fā)出酶活性檢測探針，通過光聲成像，可選擇性檢測MGL和FAAH的酶活性。之所以使用光聲，是因為成像深度大，且信號在動物體內(nèi)擾動少，因而可以獲得深達(dá)10厘米的微米精度成像。而其選擇性來自于不同基團的降解：盡管使用同一個顯影劑分子，但作者通過酯鍵將AA接在顯影劑上，使其用于檢測MGL酶活性；通過肽鍵將AA接在顯影劑上，用于檢測FAAH酶活性。同時，為了保證探針高效穩(wěn)定，作者在顯影劑分子設(shè)計中加入半菁染料（Hemicyanine dye，HD，能使感光材料增加感光性的一類染料，也稱為增感染料）提高信號強度（圖1）。
圖1選擇性高效顯影劑設(shè)計思路：a) MGL選擇性顯影劑PA-HD-MGL；b) FAAH選擇性顯影劑：PA-HD-FAAH。其中1為青色素（Cyanine），經(jīng)過反應(yīng)會以半菁染料的結(jié)構(gòu)留在顯影劑中，2、3分別為針對MGL和FAAH的光聲顯影劑化學(xué)結(jié)構(gòu)。
測試結(jié)果
作者首先進(jìn)行了兩種探針的表征。經(jīng)過半菁染料修飾的顯影劑2、3（見圖1）分別在入射光波長740 nm和730 nm處達(dá)到光聲信號頂峰，而修飾了花生四烯酸的顯影劑PA-HD-MGL和PA-HD-FAAH則在整個近紅外波長范圍內(nèi)都只有微弱的光聲信號。因此，MGL和FAAH通過降解相應(yīng)的顯影劑，就能分別獲得7.29和4.15倍的光聲信號強度（圖2），達(dá)到選擇性檢測目的。
圖2體外測試結(jié)果：a）探針信號檢測結(jié)果；b、c）探針在近紅外區(qū)段的光聲信號強度；d、e）探針在不同酶環(huán)境下的特異性降解測試。
最后，作者也進(jìn)行了細(xì)胞和動物肥胖模型實驗。并成功觀察到肥胖小鼠體內(nèi)MGL和FAAH含量的大幅增加（圖3）。
圖3在肥胖小鼠模型中進(jìn)行MGL、FAAH含量測定：左圖為MGL含量在低脂與高脂飲食小鼠體內(nèi)的信號強度對比；右圖為FAAH含量在低脂與高脂飲食小鼠體內(nèi)的信號強度對比。
作者通過巧妙的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得定量、選擇性測定MGL、FAAH酶活性成為可能。并為肥胖者體內(nèi)兩種酶含量較正常人更高的理論提供數(shù)據(jù)支持。
