光声应用 | 选择性检测肥胖相关的两种酶活性

背景：

肥胖是一种因体内过量脂肪堆积而导致的慢性病，长期肥胖产生的系统性炎症（Systemic inflammation）常常导致和加重心血管疾病、二型糖尿病、高血压甚至肿瘤等病症。作为炎症反应的关键介质，单酰基甘油脂酶（Monoacylglycerol lipase，MGL）和脂肪酰胺水解酶（Fatty acid amide hydrolase，FAAH）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体内与食欲、新陈代谢速率有着直接关联。因此，如果能够监控体内单酰基甘油脂酶（MGL）和脂肪酰胺水解酶（FAAH）的含量或浓度，就可以一定程度上预测被测者的罹患段首所述病症的可能性。然而传统用于确定这两种酶表达水平的免疫组织化学染色等方法无法直观评估酶活性，因为酶活性可能因底物的浓度、辅助因子以及局部组织环境的变化（如pH）而发生显著变化。

探针设计

针对于该限制，Melissa Y Lucero等人S次开发出酶活性检测探针，通过光声成像，可选择性检测MGL和FAAH的酶活性。之所以使用光声，是因为成像深度大，且信号在动物体内扰动少，因而可以获得深达10厘米的微米精度成像。而其选择性来自于不同基团的降解：尽管使用同一个显影剂分子，但作者通过酯键将AA接在显影剂上，使其用于检测MGL酶活性；通过肽键将AA接在显影剂上，用于检测FAAH酶活性。同时，为了保证探针高效稳定，作者在显影剂分子设计中加入半菁染料（Hemicyanine dye，HD，能使感光材料增加感光性的一类染料，也称为增感染料）提高信号强度（图1）。 

图1选择性高效显影剂设计思路：a) MGL选择性显影剂PA-HD-MGL；b) FAAH选择性显影剂：PA-HD-FAAH。其中1为青色素（Cyanine），经过反应会以半菁染料的结构留在显影剂中，2、3分别为针对MGL和FAAH的光声显影剂化学结构。

测试结果

作者首先进行了两种探针的表征。经过半菁染料修饰的显影剂2、3（见图1）分别在入射光波长740 nm和730 nm处达到光声信号顶峰，而修饰了花生四烯酸的显影剂PA-HD-MGL和PA-HD-FAAH则在整个近红外波长范围内都只有微弱的光声信号。因此，MGL和FAAH通过降解相应的显影剂，就能分别获得7.29和4.15倍的光声信号强度（图2），达到选择性检测目的。

图2体外测试结果：a）探针信号检测结果；b、c）探针在近红外区段的光声信号强度；d、e）探针在不同酶环境下的特异性降解测试。

Z后，作者也进行了细胞和动物肥胖模型实验。并成功观察到肥胖小鼠体内MGL和FAAH含量的大幅增加（图3）。

图3在肥胖小鼠模型中进行MGL、FAAH含量测定：左图为MGL含量在低脂与高脂饮食小鼠体内的信号强度对比；右图为FAAH含量在低脂与高脂饮食小鼠体内的信号强度对比。

作者通过巧妙的化学结构设计，使得定量、选择性测定MGL、FAAH酶活性成为可能。并为肥胖者体内两种酶含量较正常人更高的理论提供数据支持。