Boronate-based 19F NMR/MRI Molecular Probe for Activatable Deep-tissue Imaging of Reactive Oxygen Species

doi:10.7503/cjcu20220545

Abstract

Abstract:

Reactive oxygen species（ROS）， such as hydrogen peroxide， are playing critical roles in various physiological and pathological processes of organisms. There is a close correlation between abnormal levels of ROS and disease conditions including inflammation， tumor， and organ injuries， which renders ROS detection attractive as an important tool for the research and diagnosis of these diseases. However， imaging ROS in deep tissues of living subjects remains challenging. In this paper， we report the development of an activatable ¹⁹F magnetic resonance imaging（MRI） probe（Gd-DPBF） for sensing and imaging of generic ROS in living mice. Gd-DPBF is composed of a gadolinium chelate and a fluorinated moiety via a ROS-responsive aromatic boronate linkage. The capacity of Gd-DPBF for visualizing generic ROS in deep tissues and in the tumors of living mice is validated by a series of ex vivo and in vivo imaging experiments， illustrating its promising potential for in-depth and background-free imaging of various ROS-related biological processes in living subjects.

Key words: Activatable ¹⁹F MRI, Molecular probe, Visualizing reactive oxygen species, Reaction-based indicated assay（RIA）, Tumor imaging

CLC Number:

O657

TrendMD:

LI Ao, LI Lingxuan, ZUO Cuicui, CHEN Chuankai, FAN Yifan, BU Yifan, LIN Hongyu, GAO Jinhao. Boronate-based ¹⁹F NMR/MRI Molecular Probe for Activatable Deep-tissue Imaging of Reactive Oxygen Species[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220545.

Figures/Tables 5

Fig.1 Schematic illustration showing the chemical structure and functioning mechanism of the ROS⁃triggered 19F NMR/MRI probe(Gd⁃DPBF)

Table 1 T1 and T2 of 19F in 3,5-bis(trifluoromethyl)phenol(BTFP) and Gd-DPBF before and after the responsive process*

Material	T₁/ms	T₂/ms	T₂/T₁
BTFP	987	806	0.82
Gd⁃DPBF	1.21	N. D.	N. A.
Gd⁃DPBF + 0.3 mmol/L H₂O₂	416	279	0.67

Fig.2 Representative 19F NMR spectra of 0.2 mmol/L Gd⁃DPBF treated with various analytes(0.4 mmol/L) for 1 h in PBS buffer. CF3COONa(at δ -75.4) was used as an internal reference of 19F chemical shift(A), SNR analysis corresponding to (A)(n=3). The SNR for the peak of Gd⁃DPBF in PBS was set as 1.0 and the other SNRs were normalized accordingly(B), representative 19F MR images of Gd⁃DPBF phantoms at different concentrations before and afterspecific activation toward 2.2, 4.4, 6.6, 8.8 and 11 mmol/L H2O2(1 h incubation) respectively in PBS buffer at 37 ℃(C) and SNR analysis of Gd⁃DPBF before and after activation corresponding to (C)(n=3). The SNR for the peak of 2.0 mmol/L Gd⁃DPBF in PBS was set as 1.0 and the other SNRs were normalized accordingly(D)

Fig.3 Schematic illustration showing the protocol for ex vivo19F MRI. The center frequency corresponding to the 19F chemical shift at δ -62.6 was chosen for 19F MRI(A), representative 1H and 19F MR images of a piece of pork(43 mm×16 mm×31 mm) at indicated time points after hypodermic injection of Gd⁃DPBF solution(10 mmol/L, 200 μL) in 1×PBS alone(top, indicated by the white circles) and incubated with 15 mmol/L H2O2(bottom, indicated by the pink circles) for 3 h(B), SNR analysis corresponding to (B)(n=3). The SNR for the 19F MR image of Gd⁃DPBF with PBS at 0 min was set as 1.0 and the other SNRs were normalized accordingly(C)

Fig.4 In vivo19F MRI using Gd⁃DPBF（A） Representative 1H and 19F MR images of healthy mice after intramuscular injection（indicated by the white arrow） of Gd-DPBF（15 mmol/L， 120 μL） at the right forelimb（n=3）；（B） representative 1H and 19F MR images of U87 tumor bearing mice after intratumoral injection（indicated by the red arrow） of Gd-DPBF（15 mmol/L， 120 μL）（n=3）. The center frequency corresponding to the 19F chemical shift at δ -62.6 was chosen for 19F MRI.

References 49

1	Dickinson B. C.， Chang C. J.， Nat. Chem. Biol.， 2011， 7（8）， 504—511
2	Sies H.， Jones D. P.， Nat. Rev. Mol. Cell Biol.， 2020， 21（7）， 363—383
3	D’Autreaux B.， Toledano M. B.， Nat. Rev. Mol. Cell Biol.， 2007， 8（10）， 813—824
4	Crapo J. D.， Eur. Resp. J.， 2003， 22， 4S—6S
5	Nathan C.， Cunningham⁃Bussel A.， Nat. Rev. Immunol.， 2013， 13（5）， 349—361
6	Radi R.， Proc. Natl. Acad. Sci.， 2018， 115（23）， 5839—5848
7	Bargagli E.， Olivieri C.， Bennett D.， Prasse A.， Muller⁃Quernheim J.， Rottoli P.， Respir. Med.， 2009， 103（9）， 1245—1256
8	Fang F. C.， Nat. Rev. Microbiol.， 2004， 2（10）， 820—832
9	Hou J. T.， Yu K. K.， Sunwoo K.， Kim W. Y.， Koo S.， Wang J. Y.， Ren W. X.， Wang S.， Yu X. Q.， Kim J. S.， Chem， 2020， 6（4）， 832—866
10	Sun W.， Li M.， Fan J. L.， Peng X. J.， Acc. Chem. Res.， 2019， 52（10）， 2818—2831
11	Huang J. G.， Lyu Y.， Li J. C.， Cheng P. H.， Jiang Y. Y.， Pu K. Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（49）， 17796—17804
12	Patenall B. L.， Williams G. T.， Gwynne L.， Stephens L. J.， Lampard E. V.， Hathaway H. J.， Thet N. T.， Young A. E.， Sutton M. J.， Short R. D.， Bull S. D.， James T. D.， Sedgwick A. C.， Jenkins A. T. A.， Chem. Commun.， 2019， 55（100）， 15129—15132
13	Sedgwick A. C.， Brewster J. T.， Wu T.， Feng X.， Bull S. D.， Qian X.， Sessler J. L.， James T. D.， Anslyn E. V.， Sun X.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50（1）， 9—38
14	Sun X.， Lacina K.， Ramsamy E. C.， Flower S. E.， Fossey J. S.， Qian X.， Anslyn E. V.， Bull S. D.， James T. D.， Chem. Sci.， 2015， 6（5）， 2963—2967
15	Sun X.， Odyniec M. L.， Sedgwick A. C.， Lacina K.， Xu S.， Qiang T.， Bull S. D.， Marken F.， James T. D.， Org. Chem. Front.， 2017， 4（6）， 1058—1062
16	Shuhendler A. J.， Pu K. Y.， Cui L.， Uetrecht J. P.， Rao J. H.， Nat. Biotechnol.， 2014， 32（4）， 373—380
17	Yu F. B. A.， Li P.， Li G. Y.， Zhao G. J.， Chu T. S.， Han K. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（29）， 11030—11033
18	Leblond F.， Davis S. C.， Valdes P. A.， Pogue B. W.， J. Photochem. Photobiol. B： Biol.， 2010， 98（1）， 77—94
19	Carril M.， J. Mater. Chem. B， 2017， 5（23）， 4332—4347
20	Sun C. J.， Lin H. Y.， Gong X. Q.， Yang Z. X.， Mo Y.， Chen X. Y.， Gao J. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（1）， 198—206
21	Wahsner J.， Gale E. M.， Rodriguez⁃Rodriguez A.， Caravan P.， Chem. Rev.， 2019， 119（2）， 957—1057
22	Grignon B.， Mainard L.， Delion M.， Hodez C.， Oldrini G.， Surg. Radiol. Anat.， 2012， 34（8）， 675—686
23	Major J. L.， Meade T. J.， Acc. Chem. Res.， 2009， 42（7）， 893—903
24	Zhao Z. H.， Zhou Z. J.， Bao J. F.， Wang Z. Y.， Hu J.， Chi X. Q.， Ni K. Y.， Wang R. F.， Chen X. Y.， Chen Z.， Gao J. H.， Nat. Commun.， 2013， 4， 2266
25	Lin H. Y.， Tang X. X.， Li A.， Gao J. H.， Adv. Mater.， 2021， 33， 2005657
26	Akazawa K.， Sugihara F.， Nakamura T.， Matsushita H.， Mukai H.， Akimoto R.， Minoshima M.， Mizukami S.， Kikuchi K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（51）， 16742—16747
27	Cametti M.， Crousse B.， Metrangolo P.， Milani R.， Resnati G.， Chem. Soc. Rev.， 2012， 41（1）， 31—42
28	Zhang C.， Yan K.， Fu C.， Peng H.， Hawker C. J.， Whittaker A. K.， Chem. Rev.， 2022， 122（1）， 167—208
29	Zhang H.， Chen S.， Yuan Y.， Li Y.， Jiang Z.， Zhou X.， ACS Appl. Bio. Mater.， 2019， 2（1）， 27—32
30	Fu C. K.， Demir B.， Alcantara S.， Kumar V.， Han F.， Kelly H. G.， Tan X.， Yu Y.， Xu W. Z.， Zhao J. C.， Zhang C.， Peng H.， Boyer C.， Woodruff T. M.， Kent S. J.， Searles D. J.， Whittaker A. K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（12）， 4729—4735
31	Kislukhin A. A.， Xu H. Y.， Adams S. R.， Narsinh K. H.， Tsien R. Y.， Ahrens E. T.， Nat. Mater.， 2016， 15（6）， 662
32	Wang C.， Adams S. R.， Ahrens E. T.， Acc. Chem. Res.， 2021， 54（15）， 3060—3070
33	Li A.， Luo X. J.， Li L. X.， Chen D. X.， Liu X.， Yang Z. X.， Yang L. J.， Gao J. H.， Lin H. Y.， Anal. Chem.， 2021， 93（49）， 16552—16561
34	Takaoka Y.， Sakamoto T.， Tsukiji S.， Narazaki M.， Matsuda T.， Tochio H.， Shirakawa M.， Hamachi I.， Nat. Chem.， 2009， 1（7）， 557—561
35	Huang P.， Guo W.， Yang G.， Song H.， Wang Y.， Wang C.， Kong D.， Wang W.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2018， 10（22）， 18532—18542
36	Li A.， Li L. X.， Liu X.， Chen D. X.， Fan Y. F.， Lin H. Y.， Gao J. H.， Chem. Commun.， 2021， 57（75）， 9622—9625
37	Li A.， Tang X. X.， Gong X. Q.， Chen H. M.， Lin H. Y.， Gao J. H.， Chem. Commun.， 2019， 55（83）， 12455—12458
38	Yu M.， Bouley B. S.， Xie D.， Enriquez J. S.， Que E. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（33）， 10546—10552
39	Gambino G.， Gambino T.， Pohmann R.， Angelovski G.， Chem. Commun.， 2020， 56（24）， 3492—3495
40	Xie D.， Yu M.， Kadakia R. T.， Que E. L.， Acc. Chem. Res.， 2020， 53（1）， 2—10
41	Ding Z. L.， Sun H. B.， Ge S. C.， Cai Y.， Yuan Y.， Hai Z. J.， Tao T. X.， Hu J. M.， Hu B.， Wang J. F.， Liang G. L.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 29（43）， 1903860
42	Yuan Y.， Ge S. C.， Sun H. B.， Dong X. J.， Zhao H. X.， An L. N.， Zhang J.， Wang J. F.， Hu B.， Liang G. L.， ACS Nano， 2015， 9（5）， 5117—5124
43	Li L.， Li A.， Lin Y.， Chen D.， Kang B.， Lin H.， Gao J.， ChemistryOpen， 2022， 11（7）， e202200110
44	Ashur I.， Allouche⁃Arnon H.， Bar⁃Shir A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（25）， 7478—7482
45	Chirizzi C.， De Battista D.， Tirotta I.， Metrangolo P.， Comi G.， Bombelli F. B.， Chaabane L.， Radiology， 2019， 291（2）， 350—356
46	Guo C.， Xu S. Y.， Arshad A.， Wang L. Y.， Chem. Commun.， 2018， 54（70）， 9853—9856
47	Tang X. X.， Gong X. Q.， Li A.， Lin H. Y.， Peng C. Y.， Zhang X. Z.， Chen X. Y.， Gao J. H.， Nano Lett.， 2020， 20（1）， 363—371
48	Tang X. X.， Gong X. Q.， Ming J.， Chen D. X.， Lin H. Y.， Gao J. H.， Anal. Chem.， 2020， 92（24）， 16293—16300
49	Zhu X. L.， Tang X. X.， Lin H. Y.， Shi S. G.， Xiong H. H.， Zhou Q. J.， Li A.， Wang Q. Y.， Chen X. Y.， Gao J. H.， Chem， 2020， 6（5）， 1134—1148

[1]	QIN Wenjie, HUANG Yizhuo, LUO Xiao, QIAN Xuhong, YANG Youjun. Probe Design Strategies for Cy7-type Cyanine Dyes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220567.
[2]	XU Haidong, WANG Rui, LIANG Gaolin. Applications of Self-assembled Peptide Probes in Magnetic Resonance Imaging [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220440.
[3]	DONG Qian, LI Zhaoqian, PENG Tianhuan, CHEN Zhuo, TAN Weihong. Progress on Aptamer for Cancer Theranostics [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2648.
[4]	YU Qian, HE Yingfang, CHEN Yuan, YANG Wenjiang, ZHANG Chun, LU Jie. Preparation and Biological Evaluation of ^99mTc-labeled Pteroyl-lys Derivatives^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(12): 2446.
[5]	HE Wei-Na, TU Xi-Juan, GUO Xiang-Qun. Spin-Labeled BSA-modified Near-infrared Fluorescent Gold Nanoparticles [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(11): 2411.
[6]	Lü Feng, LI Yan-Zhou, WU Li, LIU Tian-Jun*. Galactose Substituted Phthalocyanines for Tumor Imaging as Near-infrared Fluorescence Probe [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(5): 1010.
[7]	ZHANG Xian-Zhong, TIAN Yan-Cong, WANG Xue-Bin, LUO Qian . Uptake of ^99mTcN-MIBI in Tumor Cells in vitro and the Comparison of it with ^99mTc-MIBI [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2003, 24(10): 1742.

Boronate-based ¹⁹F NMR/MRI Molecular Probe for Activatable Deep-tissue Imaging of Reactive Oxygen Species

RichHTML

PDF (PC)

Supplement

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 5

References 49

Related Articles 7

Recommended Articles

Metrics

Comments