生物自由基广泛参与生命活动，行使多种信号转导及防御功能。同时，大量自由基的产生极其造成氧化损伤，与诸多疾病的发生发展密切相关。当前，自由基医学主要利用自由基的高杀伤活性对抗癌症、细菌感染等疾病，而利用自由基的信号调节功能实现疾病治疗的研究十分有限，其瓶颈在于缺乏高度可控的自由基生成策略。近日，教授，合作在该领域取得进展，相关研究成果以Acyl-Caged Rhodamines: Photo-Controlled and Self-Calibrated Generation of Acetyl Radical for Neural Function Recovery in Early AD Mouse为题，发表在Chem. Sci.（DOI: 10.1039/D3SC03035K）。

　　神经干细胞（NSCs）位于乏氧的海马齿状回，活性氧的瞬时升高可诱导神经干细胞分化，并促进神经再生，有潜力对早期阿尔茨海默症（AD）患者的认知及记忆功能改善起到促进作用。因此，开发一种精细的自由基生成方法，既不破坏信号传导域以外的氧化还原平衡以减少附带氧化损伤，又能诱导短暂的局部氧化爆发以促进NSC分化和神经再生，具有重要意义。

　　图1. 酰基自由基的化学反应性及其对细胞氧化还原稳态的精细调控（图片来源：Chem. Sci.）

　　该研究团队将目光聚焦于酰基自由基。首先，酰基自由基是一类碳自由基，碳原子电负性小，与氧、氮、硫等自由基相比更不易诱发机体氧化损伤。其次，在生物体系中，酰基可与氧气以扩散速率结合，生成具有强氧化性的过氧酰基自由基。或被生物亲核试剂进攻，生成还原性的酮基自由基（图1）。这两种自由基相互缓冲，可有效避免引起过度生物氧化损伤。第三，机体存在内源性酰基自由基。例如乙醛的自由基氧化、二酮和过氧亚硝酸根反应、丙酮酸的光解都可产生生物内源性乙酰自由基。酰基自由基对健康和疾病的影响仍有待探究，主要原因是缺乏生物兼容性高、时空高度可控的酰基自由基生成策略。

　　图2. 光激活、荧光计量型酰基自由基供体的设计思路及分子机制验证（图片来源：Chem. Sci.）

　　该团队将Norrish I型光反应引入罗丹明（硅罗丹明）染料骨架，开发出酰基笼化罗丹明（acyl-caged rhodamines，ACR），作为光触发酰基自由基释放的新型通用分子范式。ACR可在紫外-蓝光的激发下发生Norrish I型光反应，生成酰基自由基和三苯甲基自由基，后者可进一步被氧化为线粒体膜电位荧光探针罗丹明，从而实时监测酰基的下游生物学结果。利用稳态紫外可见吸收及荧光发射光谱、瞬态吸收光谱、电子顺磁共振波谱等谱学手段，对其光激活分子机制进行了确证，并对活泼自由基中间体及终产物染料进行了捕捉（图2）。

　　该系列酰基自由基供体具有良好的细胞透膜性和生物兼容性，且主要定位于线粒体。通过调节激活光的照射位点和时长，可实现细胞内酰基自由基的精准控制释放。乙酰自由基和氧气结合生成强氧化性的过氧乙酰自由基，导致细胞氧化水平升高，线粒体膜电位崩解，细胞质钙离子浓度升高（图3）。

　　活性氧的瞬时升高可触发神经干细胞分化，促进神经再生。将供体与神经干细胞共孵育，光激活释放乙酰自由基可促进神经干细胞分化为神经元与星形胶质细胞（图4）。通过调节乙酰基供体的浓度及光激活时间，可控制干细胞分化程度。

　　图5. 光诱导乙酰基自由基的活体脑内释放改善AD早期小鼠认知功能障碍（图片来源：Chem. Sci.）

　　进一步评估了乙酰自由基供体在活体脑内原位刺激NSC分化和神经功能恢复方面的潜力。NSCs位于海马的缺氧齿状回的粒下区（SGZ），将供体注射到14周龄APPswe/PS1dE9双转基因小鼠（AD小鼠模型）的SGZ中，用405 nm光纤原位照射以激活乙酰自由基的脑内原位释放实施治疗。与对照组相比，乙酰自由基治疗组的AD小鼠表现出明显的行为学认知改善（学习和记忆能力）。海马区组织免疫荧光染色及蛋白质凝胶电泳结果显示，神经元和星形胶质细胞的数量明显增多，且Ab斑块数量减少。

　　总结：该团队设计开发了一种光激活、荧光计量型酰基自由基释放分子机制。利用乙酰自由基供体（ACR575a），展示了其可以精确、持续调节细胞氧化还原平衡，并诱导局部氧化爆发以促进神经干细胞（NSCs）分化。脑内注射ACR575a并施以光激活，可促进早期AD小鼠的神经干细胞向神经元分化，同时减少Ab斑块的形成，改善AD小鼠认知功能。

　　本篇工作的通讯作者为华东师范大学罗潇研究员/钱旭红院士/田阳教授，华东理工大学杨有军教授，上海交通大学杨文教授。华东师范大学罗潇研究员和张中惠博士，上海交通大学博士生王洁为文章的共同第一作者。超快光谱测定获得了华东师范大学陈缙泉教授和王雪力博士的大力支持。电子顺磁共振数据拟合得到了上海有机所张艳霞博士的支持。上述研究工作得到了国家自然科学基金委，精密光谱科学与技术国家重点实验室，生物反应器工程国家重点实验室的资助。

　　罗潇，华东师范大学紫江青年研究员，博导。研究聚焦细胞氧化还原平衡的化学精准调控及染料药物化学。面向脑缺血再灌注损伤、耐药菌感染、癌症等疾病，立足荧光染料母核，通过分子机制创新，开发疾病预防、诊断和治疗的分子工具。以第一/通讯作者在SCI收录的学术期刊上发表论文17篇，包括Nat. Commun.、JACS、Anal. Chem.、CCS Chem.、Sci. China. Chem.、Free Radical Biol. Chem.、Sens. Actuators B Chem.等。

　　钱旭红，中国工程院院士，华东师范大学校长，主要从事绿色农药及功能染料研究及应用开发。曾先后入选或获得国家百万千万人才工程、长江学者奖励计划、国家杰出青年基金、国家“973”项目首席科学家、上海市科技精英等。现为中国化工学会副理事长、英国皇家化学会会士、英国巴斯大学名誉教授、英国女王大学荣誉博士；担任Chinese Chemical Letters主编，J. Agr. Food Chem.、Pestic. Biochem. Phys.、J. Pestc. Sci.等国际期刊顾问编委。

　　田阳，华东师范大学特聘教授，国家杰青。长期从事活体脑电信号及化学信号的分析与检测，在发展脑神经化学分子的精准分析测量策略、建立长时程稳定的高空间分辨脑成像方法、开拓高速成像分析新仪器等方面开展了深入和系统的工作。迄今共发表论文160余篇，包括Nat. Commun.、Sci. Adv.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Anal. Chem.、CCS Chem.等，论文他引15000余次，2019年入选Elsevier中国高被引学者。授权中国发明专利8项。受邀撰写神经化学分析、荧光生物成像等领域的英文丛书章节。曾获科技部重点研发计划首席科学家，中国化学会女分析化学家，荣获中国分析测试协会一等奖，上海市自然科学奖一等奖等，入选国家百千万人才工程。目前担任Chem. Commun.副主编和《高等化学学报》副主编。

　　杨文，上海交通大学基础医学院教授，博士生导师。课题组聚焦线粒体和衰老的分子机制研究，利用蛋白质组学的方法研究线粒体蛋白动态变化及其与衰老及相关疾病的关系。主要关注衰老和相关疾病中线粒体蛋白水平修饰（包括乙酰化、琥珀酰化和氧化等）对线粒体功能的调节和反向信号传导的影响。近年来以第一作者在国际重要学术刊物（如Cell, PLOS Biology等）上发表SCI论文，他引超过700次。曾获Charles A. King fellowship Award。

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