光聲應用：選擇性檢測肥胖相關的兩種酶活性
背景：
肥胖是一種因體內過量脂肪堆積而導致的慢性病，長期肥胖產生的系統性炎癥（Systemic inflammation）常常導致和加重心血管疾病、二型糖尿病、高血壓甚至腫瘤等病癥。作為炎癥反應的關鍵介質，單酰基甘油脂酶（Monoacylglycerol lipase，MGL）和脂肪酰胺水解酶（Fatty acid amide hydrolase，FAAH）可共同作用生成花生四烯酸（Arachidonic acid，AA），而花生四烯酸在肥胖者體內與食欲、新陳代謝速率有著直接關聯。因此，如果能夠監控體內單酰基甘油脂酶（MGL）和脂肪酰胺水解酶（FAAH）的含量或濃度，就可以一定程度上預測被測者的罹患段首所述病癥的可能性。然而傳統用于確定這兩種酶表達水平的免疫組織化學染色等方法無法直觀評估酶活性，因為酶活性可能因底物的濃度、輔助因子以及局部組織環境的變化（如pH）而發生顯著變化。
探針設計
針對于該限制，Melissa Y Lucero等人首次開發出酶活性檢測探針，通過光聲成像，可選擇性檢測MGL和FAAH的酶活性。之所以使用光聲，是因為成像深度大，且信號在動物體內擾動少，因而可以獲得深達10厘米的微米精度成像。而其選擇性來自于不同基團的降解：盡管使用同一個顯影劑分子，但作者通過酯鍵將AA接在顯影劑上，使其用于檢測MGL酶活性；通過肽鍵將AA接在顯影劑上，用于檢測FAAH酶活性。同時，為了保證探針高效穩定，作者在顯影劑分子設計中加入半菁染料（Hemicyanine dye，HD，能使感光材料增加感光性的一類染料，也稱為增感染料）提高信號強度（圖1）。
圖1選擇性高效顯影劑設計思路：a) MGL選擇性顯影劑PA-HD-MGL；b) FAAH選擇性顯影劑：PA-HD-FAAH。其中1為青色素（Cyanine），經過反應會以半菁染料的結構留在顯影劑中，2、3分別為針對MGL和FAAH的光聲顯影劑化學結構。
測試結果
作者首先進行了兩種探針的表征。經過半菁染料修飾的顯影劑2、3（見圖1）分別在入射光波長740 nm和730 nm處達到光聲信號頂峰，而修飾了花生四烯酸的顯影劑PA-HD-MGL和PA-HD-FAAH則在整個近紅外波長范圍內都只有微弱的光聲信號。因此，MGL和FAAH通過降解相應的顯影劑，就能分別獲得7.29和4.15倍的光聲信號強度（圖2），達到選擇性檢測目的。
圖2體外測試結果：a）探針信號檢測結果；b、c）探針在近紅外區段的光聲信號強度；d、e）探針在不同酶環境下的特異性降解測試。
最后，作者也進行了細胞和動物肥胖模型實驗。并成功觀察到肥胖小鼠體內MGL和FAAH含量的大幅增加（圖3）。
圖3在肥胖小鼠模型中進行MGL、FAAH含量測定：左圖為MGL含量在低脂與高脂飲食小鼠體內的信號強度對比；右圖為FAAH含量在低脂與高脂飲食小鼠體內的信號強度對比。
作者通過巧妙的化學結構設計，使得定量、選擇性測定MGL、FAAH酶活性成為可能。并為肥胖者體內兩種酶含量較正常人更高的理論提供數據支持。
