华东理工大学杨有军教授、徐医大齐素华教授 JACS：过氧亚硝酸根激活型CO供体及在脑缺血再灌注损伤中的作用 | 前沿用户报道

2022-02-18 06:28:27, 化学与材料科学 HORIBA（中国）

脑缺血再灌注过程通常伴随着活性氧爆发导致的急性氧化损伤，这些活性氧多为过氧亚硝酸根（ONOO^-）的衍生产物，包括过氧亚硝酸、羟基自由基、二氧化氮自由基等等，具有氧化性强，存在寿命短的特点（图1）。过去的抗氧化策略主要聚焦于对这些瞬时的强氧化性自由基进行捕捉与清除，但这一策略并未在临床实验上获得广泛成功。主要原因有两点：1，抗氧化剂难以在自由基氧化生物底物之前将其快速、精准捕获；2，即使强氧化性自由基从抗氧化剂处夺取一个电子从而削弱了自身的氧化性，但是生成的单电子氧化态的抗氧化剂仍有可能进一步还原氧气产生超氧阴离子，并转化成下游强氧化剂。因此，开发新型、高效的抗氧化策略，对于脑缺血再灌注氧化损伤的预防与治疗具有重要意义。

图1. 通过清除过氧亚硝酸根预防缺血再灌注损伤

近日，华东理工大学药学院杨有军教授和徐州医科大学齐素华教授合作，在脑缺血再灌注氧化损伤的预防上取得重要进展。该工作创新抗氧化策略，聚焦清除寿命相对较长的前氧化剂（pro-oxidant）ONOO^-，抑制其转化为下游强氧化剂缓解氧化压力。同时创制ONOO^-激活型一氧化碳（CO）释放机制，利用CO的细胞保护及抗炎作用，与抗氧化机制协同发挥抗缺血再灌注损伤效果（图2）。针对这一策略，该研究团队开发全新碳原子保护呫吨骨架（carbon-caged xanthene），设计合成了ONOO^-激活型CO供体——PCOD585。该供体与ONOO^-反应后发生Beckmann重排，生成不稳定酸酐中间体，随即发生分子内消除反应释放CO并生成罗丹明B荧光染料。利用该荧光信号，潜在可对供体分子释放一氧化碳的位点、速率、总量进行高时空分辨跟踪（图3）。

图2. ONOO^-激活型CO供体（PCOD585）的分子设计策略及化学合成

图3. (A-B) PCOD585与ONOO^-反应后的紫外可见吸收及荧光发射光谱变化。(C-D) 利用荧光探针COP-1和气相色谱检测PCOD585受ONOO^-激活后释放的CO。

该研究团队在PC12神经细胞中对PCOD585受外源性（SIN-1：ONOO^-供体）或内源性ONOO^-（糖氧剥夺模型）激活并释放CO的过程成功实现了荧光追踪。并且，PCOD585能够明显提高糖氧剥夺PC12神经细胞的细胞存活率，在细胞水平上验证了其抗氧化能力。PCOD585在大脑中动脉闭塞（MCAO）缺血大鼠模型上表现出明显的神经保护作用。与对照组相比，尾静脉注射给药组MCAO大鼠再灌注22小时后的脑梗死面积和脑水肿体积明显减少、神经评分显著提高、脑细胞凋亡减少。脑切片实验表明，PCOD585能够穿过血脑屏障发挥疗效。

该研究工作创制了清除ONOO^-释放CO的新型抗氧化机制，结合荧光染料化学设计开发了碳原子保护呫吨分子母核，在细胞及活体水平上确证了该抗氧化机制的有效性，为对抗缺血再灌注氧化损伤提供了新的研究思路。

图4. (A-F)在PC12神经细胞中对PCOD585受外源性或内源性ONOO^-激活并释放CO的过程进行荧光追踪。(G) PCOD585明显提高糖氧剥夺PC12神经细胞的细胞存活率。(H-J) PCOD585在缺血再灌注大鼠模型中（MCAO）发挥明显的神经保护作用。

相关成果以“A Fluorogenic ONOO^--Triggered Carbon Monoxide Donor for Miti-gating Brain Ischemic Damage”为题，发表于J. Am. Chem. Soc.，华东理工大学邢林峰博士、徐州医科大学王斌硕士、华东理工大学李紧博士为论文的共同第一作者。杨有军教授、钱旭红院士、齐素华教授和罗潇研究员为论文的的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委优秀青年基金、面上项目及青年科学基金等资助支持。

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作者简介

杨有军，华东理工大学药学院教授，博导，国家优青。研究领域是精细染料化学化工，工作主要聚焦红外荧光染料及生物活体成像、功能荧光染料及生物氧化还原调控。以第一/通讯作者身份在JACS、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、PNAS、Anal. Chem.、Free Radical Biol. Chem.、CCS Chem、Sci. China Chem.、Chem. Commun.等国际权威期刊上发表文章50余篇。

齐素华，徐州医科大学教授，博导。江苏省“333高层次人才培养工程”第三层次培养对象，江苏省高校“青蓝工程”普通高校优秀青年骨干教师，徐州市第三届优秀科技工作者。以第一作者或通讯作者发表SCI论文30余篇，研究方向包括心脑血管疾病药物筛选与诊断标志物、脑病分子机制和脑病细胞信号转导。

罗潇，华东师范大学青年研究员，博导。研究领域是染料药物化学，立足荧光染料，通过分子机制创新，开发用于耐药菌感染、脑缺血再灌注损伤、癌症等重大疾病的药物。以第一/通讯作者在SCI收录的学术期刊上发表论文15篇，包括Nat. Commun、JACS、Anal. Chem.、CCS Chem.、Sci. China. Chem.、Free Radical Biol. Chem.等。

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