一氧化氮（NO）是人体内重要的信号分子，在各种生理过程中发挥重要作用。它参与调节血流，维持细胞活力，保护心肌细胞和神经细胞免受缺血性和出血性损伤。NO信号传导的异常与心脑血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病和各种癌症密切相关。重要的是，它的生理和病理影响与其浓度有关，因此精准定量生物组织中的NO对阐明其复杂作用至关重要。

 

然而，准确测定生物体内的NO水平仍是一项重大挑战。传统的定量试剂盒无法可靠地测定体内NO。非侵入性成像技术（如荧光、光声和余辉成像）有助于检测NO，但组织穿透力不足，限制了其在全身成像中的应用。磁共振成像（MRI）具有高的空间分辨率和深层组织穿透力，且无电离辐射，因此适用于疾病诊断和监测。

 

近日，湖南大学化学化工学院宋国胜教授和张晓兵教授领导的团队开发出一种基于超顺磁性纳米颗粒的NO磁共振成像探针，能够实现高度灵敏且选择性的NO检测。这种探针可检测浓度低至0.147 μM的NO，有助于人们更好地了解NO在生理和病理过程中的多方面作用。这项研究成果发表在《Nature Materials》期刊上。

 

 

研究材料与方法

在这项研究中，研究人员将超顺磁性氧化铁纳米颗粒与可剪切接头偶联，构建了NRBP探针。他们利用Bruker 7T Biospec MRI扫描仪获得了MRI图像。他们在4T1荷瘤小鼠上评估了NRMP探针用于体内NO成像的效果，并通过流式分析等评估了肿瘤免疫微环境。在利用NRBP探针检测肝损伤时，他们除了使用BALB/c小鼠，还使用了敲除诱导型一氧化氮合酶基因的NOS2^-/-小鼠（由赛业生物提供）。

 

技术路线

构建NO响应性磁探针（NRMP）并对其进行系统表征

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利用4T1荷瘤小鼠模型评估NRMP探针用于体内NO成像的效果

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利用NRMP探针全面评估NO在肿瘤生物学中的作用

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利用NRMP探针筛选免疫疗法和评估肝损伤

 

研究结果

1. 构建NO磁共振成像探针

 

研究人员将氧化铁纳米颗粒与对NO敏感的可剪切接头偶联，形成超顺磁性纳米颗粒。为了增强其亲水性，他们将这些纳米颗粒进一步与PEG-NH₂偶联，最终形成NO响应性磁探针（NRMP，图1）。与NO的相互作用会导致探针膨胀，增加氧化铁的颗粒间距离，这会延长横向弛豫时间（T₂），导致T₂ MRI信号强度增加（图1）。

 

图1. NRMP探针的构建

 

他们接下来测定了加入不同浓度NO后纵向和横向弛豫时间的变化，以评估NRMP探针的响应行为。随着NO浓度增加，NRMP探针的横向弛豫率（r₂）从64.3 mM-1 s-1显著降至27.9 mM-1 s-1。对NRMP探针的选择性进行测试时，他们发现只有在NO存在的情况下，T₂弛豫时间才会明显增加，这证明了NRMP探针的高度特异性和抗干扰性。

 

研究人员还利用T₂ MRI对检测NO的灵敏度进行了定量。他们发现，即使NO的浓度增加极少（~1 μM），T₂ MRI图像也会更亮，表明灵敏度很高。而且，信号定量结果与NO浓度表现出强的线性相关，最低可检测浓度低至0.147 μM的NO。

 

2. NRMP探针用于体内NO成像的效果

作为一种T₂加权MRI探针，NRMP与NO发生作用之前，最初会显示出阴性对比度。静脉注射后，NRMP探针在肿瘤内积累，增强阴性对比度，减弱T₂ MRI信号。与肿瘤内NO的相互作用导致NRMP探针膨胀，减弱阴性对比度，增加MRI信号强度，并产生阳性对比度（图2）。

 

随后，研究人员利用4T1荷瘤小鼠模型进行了体内成像。他们利用脂多糖（LPS）诱导肿瘤微环境中NO的增加，并在注射NRMP或对照探针后进行MRI。在LPS + NRMP组，他们在6小时内观察到最初变暗，然后是亮度增加，表明NO诱导了从阴性到阳性对比度的转换（图2）。对MRI信号强度的定量显示，与对照组相比，LPS处理组的肿瘤信号在24小时后明显增加。之后，他们建立了MRI信号强度和NO浓度之间的相关曲线。

 

图2. NRMP用于体内NO成像的效果

 

利用NRMP探针评估NO在肿瘤生物学中的作用

目前，NO在体内促进或抑制肿瘤生长的特定浓度仍不清楚。于是，研究人员探究了NO对肿瘤免疫和生长的剂量依赖作用。他们以低剂量、高剂量的NO供体或PBS处理4T1荷瘤小鼠，并利用NRMP探针对肿瘤内的NO浓度进行定量。在计算注射NRMP前后的T₂ MRI信号强度比后，结果显示NO供体剂量越高，信号强度比越大。

 

接下来，研究人员探索了NO诱导免疫原性细胞死亡的能力。他们测定了4T1荷瘤小鼠在处理后的损伤相关分子模式释放情况，如钙网蛋白（CRT）和高迁移率族蛋白B1（HMGB1）。分析结果显示，高剂量NO有助于CRT暴露，并能显著提高HMGB1水平，而低剂量NO的影响很小，这表明高剂量NO通过内质网应激和HMGB1升高来促进免疫原性细胞死亡。

 

后续分析显示，高剂量NO处理后，小鼠肿瘤内的成熟树突状细胞增加，CD8+ T细胞明显增加，且M1样巨噬细胞浸润增加，表明肿瘤相关巨噬细胞向M1表型极化，而低剂量NO则没有这些效果。此外，TNF-α和IL-6在高剂量NO的作用下显著升高。这些结果显示，高剂量NO可通过调节免疫微环境和促进免疫原性细胞死亡来有效增强抗肿瘤免疫。

 

在全面评估NO对肿瘤进展的影响时，研究人员发现与PBS处理组相比，高剂量NO供体明显抑制了肿瘤生长，而低剂量NO供体则略微加速了肿瘤生长。染色结果显示，高剂量NO处理后的肿瘤出现了广泛凋亡和坏死，而低剂量NO处理则增强了CD31的表达，表明刺激了肿瘤微环境中的血管生成，这与其促进肿瘤生长的作用是一致的。

 

利用NRMP探针筛选免疫疗法

研究人员借助MRI的优势，对M1巨噬细胞产生的NO进行成像，从而对巨噬细胞介导的免疫治疗效果进行定量。他们选择了三种已知能诱导巨噬细胞向M1表型极化的药物——IFNγ、CpG和R848。通过计算T₂ MRI信号强度比，他们发现在24小时后药物治疗小鼠的信号强度比高于对照组，其中R848组的升高最为显著。

 

同时，他们还发现药物治疗小鼠的M1样巨噬细胞增加，且与M1巨噬细胞相关的细胞因子（TNF-α、IL-6和IL-1β）显著增加。其中，R848组表现出最高水平的M1巨噬细胞标志物。与对照组相比，所有治疗组的肿瘤体积都明显缩小，其中R848组疗效最高，这与MRI测定的NO生成一致。这些结果凸显了NRMP探针对NO成像的潜力，可在肿瘤发生明显变化之前观察到M1巨噬细胞的极化并筛选免疫疗法。

 

利用NRMP探针评估肝损伤

肝脏中NO水平的实时成像对于了解相关病理过程至关重要。为了评估NRMP在这方面的能力，研究人员利用PBS或LPS处理小鼠，并注射了NRMP探针。在此实验中，他们使用了两种小鼠：BALB/c小鼠和NOS2^-/-小鼠（后者由赛业生物提供）。

 

他们观察到，LPS处理组的肝脏图像最初变暗，但在30分钟后变亮，表明NO诱导下MRI对比度从阴性转变为阳性。相比之下，NOS2^-/-小鼠的肝脏图像始终保持黑暗，证明没有NO生成（图3）。在左肝叶局部注射LPS和全身注射NRMP后，T₂ MRI信号强度比证实左肝叶NO水平更高。结合解剖和分子成像，NRMP探针能够有效确定局部肝脏病理。

 

图3. 肝脏病理生理分析中的NO成像

 

结论

这项研究开发出一种体内检测NO的NRMP探针，具有高灵敏度和特异性。它能够很好地监测NO的变化，防止信号饱和，并提供精确的结果。NRMP探针对于分析NO在肿瘤中的复杂生理和病理作用很有价值，有助于靶向治疗策略的开发。它还能够绘制体内NO的动态图谱，这对肝损伤等疾病至关重要。

 

原文检索

Lu, C., Liao, S., Chen, B. et al. Responsive probes for in vivo magnetic resonance imaging of nitric oxide. Nat. Mater. 24, 133–142 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02054-0