Rational Design of a Double-Locked Photoacoustic Probe for Precise In Vivo Imaging of Cathepsin B in Atherosclerotic Plaques

纤维帽 组织蛋白酶 化学 体内 组织蛋白酶B 生物医学中的光声成像 离体 炎症 病理 体外 医学 生物化学 内科学 生物 物理 生物技术 光学
作者
Yuan Ma,Jinhui Shang,Liuhui Liu,Menghuan Li,Xinyu Xu,Hui Cao,Li Xu,Wei Sun,Guosheng Song,Xiaobing Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (32): 17881-17891 被引量:73
标识
DOI:10.1021/jacs.3c04981
摘要

Atherosclerotic plaque rupture is a significant cause of acute cardiovascular events such as heart attack and stroke, triggered by the decomposition of fiber caps induced by cysteine cathepsin. However, the accurate measurement of cathepsin B (CTB) activity in plaques is challenging due to the low specificity and insufficient penetration depth of available atherosclerosis-associated cathepsin fluorescent probes, hampering reliable assessment of plaque vulnerability. To address these limitations, we added both lipophilic alkyl chain and hydrophilic CTB substrate to the hemicyanine scaffold to develop a lipid-unlocked CTB responsive probe (L-CRP) that uses lipids and CTB as two keys to unlock photoacoustic (PA) signals for measuring CTB activity in lipophilic environments. Such properties allow L-CRP for the reliable imaging of specific CTB activities in foam cells and atherosclerotic plaques while keeping in silence toward CTB in lipid-deficient environments, such as M1-type macrophages and LPS-induced inflammatory lesions. Moreover, the activatable PA signals of L-CRP exhibit a deeper tissue penetration ability (>1.0 cm) than current CTB probes based on near-infrared fluorescent imaging (∼0.3 cm), suitable for atherosclerosis imaging in living mice. In atherosclerotic mice, L-CRP dynamically reports intraplaque CTB levels, which is well-correlated with the plaque vulnerability characteristics such as fiber cap thickness, macrophage recruitment, and necrotic core size, thus enabling risk stratification of atherosclerotic mice complicated with pneumonia. Moreover, L-CRP successfully identifies atherosclerotic plaques in excised human artery tissues, promising for auxiliary diagnosis of plaque vulnerability in clinical application.
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