硫醇如谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（Hcy）等在細(xì)胞新陳代謝中扮演著重要的角色。在癌癥、阿茲海默癥、帕金森癥等疾病中，細(xì)胞內(nèi)硫醇的含量都高于正常水平。因此，對(duì)細(xì)胞內(nèi)硫醇的超靈敏檢測(cè)具有重要意義。目前最常用的檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)硫醇的方法是熒光方法，但是熒光的組織穿透性比較低。磁共振技術(shù)具有無損檢測(cè)、無放射性、無組織穿透深度限制的優(yōu)點(diǎn)，但是目前的傳統(tǒng)磁共振技術(shù)靈敏度較低。超極化129Xe磁共振是一種全新的磁共振分子影像技術(shù)，比相同條件下傳統(tǒng)磁共振的靈敏度增強(qiáng)50000倍以上，同時(shí)兼具傳統(tǒng)磁共振的上述優(yōu)點(diǎn)。

近日，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的周欣研究組在自主研發(fā)的超極化129Xe磁共振的儀器上，設(shè)計(jì)合成了硫醇響應(yīng)的129Xe磁共振/熒光雙模態(tài)超靈敏分子探針，并以二硫鍵為硫醇的響應(yīng)位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了硫醇皮摩爾（10-10 M）量級(jí)的磁共振檢測(cè)靈敏度。超極化129Xe磁共振不僅提供了細(xì)胞內(nèi)硫醇檢測(cè)的超靈敏新技術(shù)，也為下一步活體應(yīng)用邁出了重要的一步。

圖1. 129Xe磁共振/熒光雙模態(tài)探針分子在細(xì)胞內(nèi)與硫醇反應(yīng)的示意圖

在溶液中，超極化129Xe磁共振及熒光雙模態(tài)分子探針與硫醇反應(yīng)后，二硫鍵斷裂，同時(shí)與熒光基團(tuán)萘酰亞胺相連的部分會(huì)發(fā)生分子內(nèi)的成環(huán)反應(yīng)，從而使熒光出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象。由于超極化129Xe對(duì)化學(xué)環(huán)境的敏感性，當(dāng)探針分子的二硫鍵斷裂后，同時(shí)也引起超分子籠內(nèi)129Xe磁共振信號(hào)的改變。因此，他們可通過熒光與129Xe磁共振來進(jìn)行硫醇雙模態(tài)的超靈敏檢測(cè)。

圖2. 超極化129Xe磁共振和熒光雙模態(tài)探針分子與GSH反應(yīng)后，熒光光譜與超極化129Xe磁共振譜；（a）探針分子與不同化學(xué)計(jì)量GSH反應(yīng)后的熒光光譜；（b）探針分子與不同化學(xué)計(jì)量GSH反應(yīng)后的超極化129Xe磁共振譜

在細(xì)胞內(nèi)，超極化129Xe磁共振和熒光雙模態(tài)探針分子對(duì)硫醇也顯示出較好的響應(yīng)能力。探針分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)的綠色熒光，當(dāng)用硫醇抑制劑NEM處理后，再將探針分子導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)探針分子的熒光明顯減弱。

圖3. 探針分子進(jìn)入細(xì)胞后的激光共聚焦

研究者結(jié)合化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（CEST）的磁共振技術(shù)研究了探針分子進(jìn)入細(xì)胞后的超極化129Xe磁共振譜。當(dāng)探針分子導(dǎo)入細(xì)胞后，在細(xì)胞內(nèi)觀測(cè)到較強(qiáng)的CEST效果；當(dāng)細(xì)胞先用NEM處理后，再將探針分子導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)的CEST效果明顯減弱。此測(cè)試結(jié)果與熒光手段互相印證并高度一致，表明超極化129Xe磁共振檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)硫醇的靈敏度與熒光的效果幾乎不相上下。

 超極化129Xe磁共振和熒光雙模態(tài)探針分子進(jìn)入細(xì)胞后的CEST磁共振譜

此項(xiàng)研究成果于近期在美國化學(xué)學(xué)會(huì)旗下的Analytical Chemistry 上發(fā)表，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的郭茜旎副研究員與曾慶斌博士生為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目和杰出青年基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院的支持。