ACS Nano：有机半导体聚合物纳米粒子用于干细胞近红外II窗光声标记和示踪

【研究背景】

人骨髓间充质干细胞（hMSCs）由于具有多能性而引起广泛研究。目前常用荧光、MRI及PET对其进行成像和示踪，但都存在各自的缺点和不足。光声成像（PA）是一种活体光学成像技术，它具有更大的成像深度及更高的空间分辨率。但是目前的光声造影剂的生物安全性及近红外一区（NIR-I）成像限制了其在干细胞成像及示踪方面的应用。由半导体聚合物（SP）制备的有机半导体聚合物纳米粒子（OSPN）具有用于成像和治疗的优异光学性质。与一些无机纳米材料相比，OSPN具有优异的光学性能，良好的生物相容性和较高的光热转换效率等优点，已被广泛用于荧光，化学发光，长余辉和光声成像，以及光热和光动力治疗。此外，SP的结构多功能性使得制备从紫外到NIR-II区域的不同吸收带的OSPN成为可能。

【成果简介】

近日，香港中文大学边黎明教授联合香港城市大学王立代博士、新加坡南洋理工大学浦侃裔副教授等，报道了具有近红外二区（NIR-II）吸收性质的半导体聚合物纳米粒子（OSPN+）并研究了其在活体深层组织内对干细胞的二区光声追踪效果。生物组织的比较研究表明，OSPN+的NIR-II光激发PA成像比NIR-I光激发PA成像具有更高的信噪比，从而证明了OSPN+对深部组织成像的优越性。OSPN+具有良好的生物相容性，合适的尺寸和优异的表面特性，展现出增强的细胞摄取能力，可高效地对干细胞进行PA标记。体内研究显示，与未标记的细胞相比，皮下和脑成像中移植的OSPN+标记的hMSCs细胞的NIR-II PA对比增强分别为40.6和21.7倍。该研究成果今日以题为“Organic Semiconducting Polymer Nanoparticles for Photoacoustic Labeling and Tracking of Stem Cells in the Second Near-Infrared Window”发表在知名期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图一：聚合物合成、纳米粒子制备及在体内成像应用

(a) OSPNs+的制备方法和体内干细胞标记示意图；
(b) OSPNs-和OSPNs+的水溶液照片；
(c) 半导体聚合物的合成路线。

图二：OSPNs+的形貌、尺寸及光声（PA）性质表征

(a) OSPNs+的TEM形貌；
(b) OSPNs+和OSPNs-的DLS尺寸表征；
(c) 水溶液中OSPNs+和OSPNs-的Zeta电位表征；
(d) OSPNs+水溶液的吸收光谱；
(e) OSPNs+水溶液和纯水的PA强度表征；
(f)(g)(h) 归一化的OSPNs+水溶液在532nm，860nm和1064nm处的PA强度与浓度之间的线性关系（插图：不同浓度下PA成像图）；
(i) 归一化的OSPNs+水溶液在532nm，860nm和1064nm处的PA强度随激光脉冲变化结果。

图三：OSPNs+对hMSCs细胞的毒性、PA成像效果以及多能性影响

(a) 孵育12小时后OSPNs+对hMSCs细胞的毒性表征；
(b) OSPNs-（左）和OSPNs+（右）与hMSCs细胞孵育12h的PA成像图（532nm）；
(c) 经OSPNs+标记的hMSCs细胞体外成像示意图；
(d) OSPNs-和OSPNs+与hMSCs细胞孵育后在860nm和1064nm处的PA成像图；
(e) OSPNs+对hMSCs细胞多能性的影响。

图四：不同成像深度下NIR-I PA和NIR-II PA成像效果对比

(a) 不同厚度鸡肉组织覆盖下不同浓度OSPNs+溶液在NIR-I或NIR-II激发下的PA成像图；
(b) 不同浓度下OSPNs+溶液在860nm处的信噪比与组织厚度的关系；
(c) 不同浓度下OSPNs+溶液在1064nm处的信噪比与组织厚度的关系；
(d) OSPNs+溶液在860nm和1064nm处PA成像的信噪比与组织厚度的线性关系（【OSPNs+】= 0.573 mg/mL）。

图五：OSPNs+的活体PA成像

(a) OSPNs+标记与未标记的hMSCs细胞皮下移植后在不同时间点的超声-光声成像叠加图像；
(b) OSPNs+标记与未标记的hMSCs细胞裸鼠脑移植后的超声-光声成像（NIR-I和NIR-II）的图像；
(c) NIR-I和NIR-II激发下OSPNs+标记的hMSCs细胞在裸鼠脑移植后的PA成像信噪比。

【小结】

本文报道了具有近红外二区（NIR-II）吸收性质的半导体聚合物纳米粒子（OSPN+）并研究了其在活体深层组织内对干细胞的二区光声追踪效果。生物组织对比研究表明，OSPN+在NIR-II光激发下的PA成像效果明显优于其NIR-I PA成像，从而证明了OSPN+在深层组织成像中的优越性。并且OSPN+具有良好的生物相容性、适宜的尺寸和优异的表面性质，这些都有利于增强细胞对OSPN+的吸收。体内研究显示，与对照组相比，OSPN+标记的人间充质干细胞（hMSCs）在皮下和脑移植后的NIR-II PA对比分别增强了40.6和21.7倍。此外，NIR-II区PA成像在深部脑组织中表现出比NIR-I区PA成像更高的信噪比（1.38倍），进一步证明了其对干细胞标记和追踪的优越性。

文献链接：Organic Semiconducting Polymer Nanoparticles for Photoacoustic Labeling and Tracking of Stem Cells in the Second Near-Infrared Window(ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b05906)

本文由材料人生物高分子组大兵哥供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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