过去几十年中，有害的蓝藻水华频繁发生，已成为一个突出的环境问题[1]、[2]、[3]。蓝藻的增殖和大量积累会降低水质，破坏水生生态系统功能，并对动物和人类健康构成严重威胁。蓝藻能够产生并释放高毒性的天然化合物，其中微囊藻毒素是最具代表性的。微囊藻毒素-LR（MC-LR）是蓝藻释放的最危险的毒素之一。全球许多富营养化水体中都检测到了MC-LR[4]、[5]。鉴于MC-LR的广泛分布，关于其对生态系统和生物体威胁的研究正在不断增加[6]、[7]。大量证据表明，MC-LR会在多种器官中积累并造成病理损伤[8]、[9]。除了多器官毒性外，亚急性和急性暴露于MC-LR还会扰乱动物的内分泌系统，导致脂质代谢紊乱和其他生理问题[10]、[11]、[12]、[13]。MC-LR甚至可以穿过血脑屏障，激活相关信号通路并诱导神经细胞的炎症反应[14]、[15]、[16]、[17]。此外，MC-LR在哺乳动物中的致死剂量低于在水生动物中的致死剂量[18]。因此，研究生物体暴露于MC-LR的相关风险至关重要。
氧化应激被认为是MC-LR影响生物体的关键有害机制，它对细胞损伤、凋亡及由此引发的疾病的发生起着关键作用[19]、[20]、[21]。过氧化氢（H₂O₂）是评估氧化应激的重要生物标志物之一[22]、[23]。当生物体暴露于应激源时，体内会过量产生活性氧（ROS），从而导致氧化损伤。与其他ROS相比，H₂O₂具有许多优势，包括在体内广泛分布、相对较低的反应性，以及在生理条件下能够达到相对稳定且可检测的水平[24]、[25]。此外，H₂O₂还被认为参与多种生理和病理过程[26]、[27]、[28]、[29]。多项研究表明，在癌症、神经退行性疾病和心血管疾病的发展过程中，H₂O₂的异常产生起着重要作用[30]、[31]。有趣的是，作为一种强效的肝癌促进因子，MC-LR还能在动物体内诱导神经毒性，导致与神经退行性疾病相关的症状，如运动迟缓、记忆缺陷和学习障碍[32]、[33]、[34]。因此，我们认为MC-LR的多种毒性可能与体内的H₂O₂水平有关，H₂O₂可以作为评估生物体在MC-LR暴露下氧化损伤的生物标志物。
乳酸脱氢酶（LDH）、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的水平是检测MC-LR压力下细胞和生物体损伤的最常用指标[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。然而，目前检测这些指标的方法需要先对动物实施安乐死，然后进行组织分离和匀浆处理，最后使用特定的检测试剂盒进行分析。这一过程操作繁琐且需要牺牲动物，无法在体内直接进行检测。此外，目前还缺乏能够直接可视化MC-LR暴露后生物体内氧化应激水平的工具。荧光探针技术由于其高灵敏度、高选择性和非破坏性样品处理能力，在原位检测领域得到了广泛应用[40]、[41]、[42]、[43]。例如，2023年，Lin等人使用BSZ-H₂S探针研究了植物根系对盐分和干旱等外部环境变化的响应[44]。2024年，Xie等人使用HBTM-HP探针对受农药处理的稻根和斑马鱼进行成像，分析了农药暴露引起的生物过程变化[45]。鉴于MC-LR可以引发氧化应激，构建一种用于检测MC-LR引起的H₂O₂变化的探针是可行的。利用荧光探针监测MC-LR暴露下生物体内的H₂O₂水平变化，可以快速在原位观察氧化状态的波动。这种新方法有望为深入研究MC-LR的发病机制提供新的解决方案。
在本研究中，基于苯硼酸酯对H₂O₂的高反应性，设计了一种针对线粒体的近红外（NIR）探针DSP-B，用于检测暴露于MC-LR压力下的生物体内H₂O₂水平的变化。线粒体是细胞中产生H₂O₂的主要细胞器。DSP-B的阳离子电荷可以与线粒体膜上的负电荷结合，使DSP-B能够直接检测线粒体周围的H₂O₂。反应后，苯硼酸酯作为离去基团会被去除。由于分子内电荷转移（ICT）的特性，DSP-B可以作为“开启”探针，通过荧光增强特异性识别H₂O₂（图1）[46]。探针的近红外特性使其荧光信号能够有效穿透组织样本，准确检测生物样本中的H₂O₂水平[47]。DSP-B成功应用于检测MC-LR孵育后的细胞内H₂O₂水平，并进一步对暴露于MC-LR的斑马鱼和鲶鱼进行了成像。监测暴露于MC-LR的生物体内H₂O₂水平的变化有助于阐明MC-LR毒性涉及的细胞信号传导过程和病理机制。本研究展示了使用荧光探针研究MC-LR对小分子活性的影响的创新方法。
