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方法与工具Nature Methods · 光声分子成像探针开发

近红外光致变色微型蛋白实现急性炎症与细胞内抗原的光声分子成像

Near-infrared photochromic miniprotein enables photoacoustic molecular imaging of acute inflammation and intracellular antigens.

一句话开发了微型光开关探针rsmiRFPnano，用于急性炎症与细胞内抗原的活体光声分子成像。

研究问题

能否开发更小的近红外光开关基因编码探针，克服现有大型PAT探针对分子报告系统设计的限制，并用于活体炎症通路及细胞内抗原成像？

数据与样本

研究在活细胞及活体中评估探针，并对急性炎症开展细胞水平的空间组学映射；摘要未提供细胞类型、活体物种、样本规模或具体组织。

分析流程

  1. 1探针工程改造：以蓝细菌光敏色素为来源，开发紧凑型光开关PAT探针rsmiRFPnano。
  2. 2探针性能评估：考察胆绿素结合、两种光致变色状态的消光系数及活细胞中的表现。
  3. 3通路报告系统构建：建立基于rsmiRFPnano的NF-κB和AP-1报告系统，评估基础活性及激活依赖性响应。
  4. 4炎症成像与验证：使用无创PAT开展活体急性炎症成像，并通过细胞水平的空间组学映射验证。
  5. 5抗原成像探针构建：开发结合抗原后稳定、未结合时迅速降解的rsNIR-Fbs，实现活体细胞内抗原的选择性光声免疫成像。

关键方法与工具

rsmiRFPnano
构建光声分子报告系统
differential photoacoustic tomography (PAT)
开展深部组织光声成像
spatial omics mapping
验证炎症成像结果
rsNIR-Fbs
选择性成像细胞内抗原

设计思路

先评估微型探针的光学特性与活细胞表现，再将其用于通路报告和抗原识别，以检验平台在不同分子成像任务中的适用性。炎症成像通过细胞水平的空间组学映射进一步验证；抗原成像则利用结合后稳定、未结合时快速降解的设计获得选择性。

主要发现

  • rsmiRFPnano分子量低于19 kDa，相比现有超过55 kDa的细菌光敏色素探针更为紧凑。
  • rsmiRFPnano能够高效结合胆绿素，在两种光致变色状态下均具有高消光系数，并在活细胞中表现稳健。
  • 基于rsmiRFPnano的NF-κB和AP-1通路报告系统基础活性低，激活依赖性响应强，可用于无创PAT活体急性炎症成像，并获得细胞水平空间组学映射验证。
  • rsNIR-Fbs在结合抗原后稳定、未结合时迅速降解，实现了活体细胞内抗原的选择性光声免疫成像。

可借鉴之处

  • 开发分子成像报告系统时，可借鉴本文从探针物理特性、活细胞表现到活体应用的逐层验证路径。
  • 炎症成像课题可借鉴本文将无创成像与细胞水平空间组学映射结合的做法，用不同尺度的证据验证成像结果。
  • 细胞内抗原探针设计可借鉴rsNIR-Fbs的抗原结合依赖性稳定策略，使探针稳定性与靶标识别相联系。

数据与代码

摘要和已读取的内容里没有说明，请查看原文的数据可得性声明。

摘要（中文翻译）

利用近红外光开关型光致变色基因编码探针，差分光声断层成像（PAT）能够实现高分辨率、高灵敏度的深部组织成像；然而，目前基于细菌光敏色素的探针是超过55 kDa的大型多结构域蛋白，限制了其在PAT分子报告系统设计中的应用。在此，我们通过工程改造开发了rsmiRFPnano，这是一种源自蓝细菌光敏色素的紧凑型光开关PAT探针。rsmiRFPnano的分子量低于19 kDa，能够高效结合胆绿素，在2种光致变色状态下均具有高消光系数，并在活细胞中表现稳健。我们建立了基于rsmiRFPnano的NF-κB和AP-1通路报告系统，其基础活性低，且具有强烈的激活依赖性响应。这些报告系统通过无创PAT有效地实现了活体急性炎症可视化，并进一步通过细胞水平的空间组学映射得到验证。随后，我们构建了光开关纳米抗体探针rsNIR-Fbs，其在结合抗原后保持稳定，否则迅速降解，从而实现对活体细胞内抗原的选择性光声免疫成像。综上，这些结果确立了rsmiRFPnano作为超紧凑、多用途分子PAT平台的地位。

英文原文摘要

Using near-infrared photoswitchable photochromic genetically encoded probes, differential photoacoustic tomography (PAT) enables deep-tissue imaging with high resolution and sensitivity; however, current bacteriophytochrome-based probes are bulky multidomain proteins exceeding 55 kDa, which constrains their use for designing PAT molecular reporters. Here we engineer rsmiRFPnano, a compact cyanobacteriochrome-derived photoswitchable PAT probe. With a molecular weight below 19 kDa, rsmiRFPnano efficiently incorporates biliverdin, exhibits high extinction coefficients in both photochromic states and demonstrates robust performance in live cells. We established rsmiRFPnano-based reporters for NF-κB and AP-1 pathways, which display low basal activity and strong activation-dependent responses. These reporters effectively visualized acute inflammation using noninvasive PAT in vivo, further validated through cellular-level spatial omics mapping. We then created photoswitchable nanobody probes, rsNIR-Fbs, stabilized upon antigen binding and rapidly degraded otherwise, enabling selective photoacoustic immuno-imaging of intracellular antigens in vivo. Together, these results establish rsmiRFPnano as an ultracompact and versatile platform for molecular PAT.

摘要来自 PubMed。翻译与解读由模型根据摘要生成，可能有误，不构成诊疗建议；数据以原文为准，版权归原出版方所有。