国家纳米中心李乐乐Nat.Bio.Eng.：基于新型分子信标的酶切荧光放大策略，可实现空间分辨的活体炎症相关mRNA成像

越来越多的研究显示，RNA是炎症过程中的关键基因调节子。在先天免疫中，RNA可以通过改变表达和定位来调节炎症的开始、扩散和终止。因此，RNA有望作为炎症诊断的生物标志物。然而，由于健康组织中的非特异性信号放大，低信噪比阻碍了炎症RNA生物标志物的体内光学成像技术发展。

近期，国家纳米中心李乐乐研究员等人报道了一种带有脱嘌呤/脱嘧啶位点的分子信标设计，可用于炎症相关信使RNA（mRNAs）成像。在炎症细胞中，人脱嘌呤和脱嘧啶核酸内切酶1的特异性细胞核-细胞质易位可触发分子靶标的荧光信号放大。通过检测小鼠爪子的急性炎症和肝脏药物诱导炎症，研究阐释了靶向小鼠白细胞介素-6（IL-6）mRNA的工程化分子信标的敏感性和组织特异性。研究认为，这种酶切放大策略可以扩大使用在体内对其他疾病相关RNA进行特异和敏感成像。相关工作以“Spatially resolved in vivo imaging of inflammation-associated mRNA via enzymatic fluorescence amplification in a molecular beacon”为题发表在Nature Biomedical Engineering。

【文章要点】

一、分子靶标设计

作者团队长期致力于开发时空选择性分子成像方法。在前期研究中，作者构建了光敏性分子信标，结合上转换发光技术可实现时空可控的活细胞RNA成像（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7056）。然而，此方法中一个分子信标只能识别一个靶标RNA，这大大降低了检测灵敏度；同时，有限的光组织穿透深度也制约了其活体应用。在此工作的基础上，团队在本项研究中设计并构建了一种人脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）触发的分子信标（MB）探针（E-MBP），可用于体内RNA的特异性放大成像，从而直接评估炎症。APE1是一种多功能酶，通过去除脱嘌呤/脱嘧啶（AP）位点以修复DNA损伤。而E-MBP的设计正是在MB的发夹环中引入了两个AP位点；同时，E-MBP中还利用荧光团和淬灭剂进行标记，可通过Förster共振能量转移降低荧光背景（图1）。

图1 APE1活化信号放大策略评价

二、炎症相关mRNA成像

如图2所示，当一个E-MBP与靶标RNA杂交时，APE1形成两个识别位点以切割信标链，同时释放靶标RNA为下一个切割周期进行反应。在多次循环后，一个靶标RNA可以诱导许多E-MBP的切割，从而实现信号放大。由于APE1可从炎性细胞的细胞核迁移到细胞质，因此E-MBP在炎性细胞中的荧光信号放大程度比在正常细胞中的信号放大程度要高得多，实现了显著改善的成像灵敏度和细胞特异性。作为概念验证，研究选择IL-6 mRNA（炎症的重要生物标志物）作为靶点，成功阐释了这一酶切放大策略的有效性。由于E-MBP需要两个相关输入（APE1和mRNA）来产生放大的信号，而炎症也是使用多个生物标记物来进行识别的，因此该信号放大策略可将炎症与健康组织有效区分开来。

图2 酶切荧光放大成像炎症相关mRNA示意图

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