南洋理工Angew：用于深层活体成像的长波长近红外化学发光探针

大兵哥 4年前 (2020-11-05) 4569浏览

【研究背景】

基于化学发光（CL）的检测技术由于能够有效的避免激发光散射及背景荧光干扰，彻底改变了生物分子的体内成像能力。化学发光成像本质上具有很高的灵敏度，因此在疾病诊断和成像领域有重要的应用前景。然而目前大多数的化学发光探针只能发射可见光，其较低的穿透深度无法满足活体成像。为了改善化学发光探针在生物标志物的体内检测的缺陷，开发同时具有近红外（NIR）发射和可激活探针构建的模块化结构的化学发光团显得尤为重要。

【成果简介】

近日，南洋理工大学浦侃裔副教授团队分别通过将二氰基亚甲基-4H-苯并硫吡喃和二氰基亚甲基-4H-苯并硒吡喃与二氧金刚烷单元结合，制备了两种化学发光探针，具有创纪录的长近红外发射（>750 nm）。将具有不同可分裂部分屏蔽化学发光团可产生近红外化学发光探针（NCPS和NCPSe），仅在活性氧或酶响应下被激活发出近红外光，NCPS探针的组织穿透深度可达2 cm。特别是NCPSg可以触发化学发光（760 nm），灵敏地检测β-半乳糖苷酶（一种癌症生物标志物），从而可以成像区分活体小鼠不同癌细胞中β-半乳糖苷酶的表达水平。该研究提供了一种适用于深层组织中多种生物标志物的体内开启成像的近红外化学发光分子支架。该文章近日以题为“Molecular Chemiluminescent Probes with a Record Long Near-infrared Turn-on Wavelength for In vivo Imaging”发表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed上，博士研究生黄景胜和姜语嫣为共同第一作者。

响应性深层活体成像的近红外化学发光探针

【图文导读】

图一、探针分子结构及能级

（a）三种不同化学发光探针的分子结构。

（b）三种不同化学发光探针的HOMO-LUMO能级。

（c）化学发光探针的合成过程。

图二、光学性质及响应性

（a）三种化学发光探针在响应ONOO-后的化学发光光谱。

（b）三种化学发光探针的专一性检测。

（c）三种化学发光探针在不同厚度鸡胸脯组织下响应ONOO-的化学发光成像图像。

（d）三种化学发光探针的信号背景比（SBR）率与组织深度的关系。

图三、酶响应成像

（a）化学发光探针检测β-gal的示意图。

（b）加入β-gal前后化学发光探针的荧光光谱。

（c）在加入不同酶孵育后荧光或化学发光强度的变化。

（d）化学发光探针与β-gal共孵育后的HPLC分析。

图四、细胞及活体成像

（a-b）探针用于Hela细胞和SKOV3细胞的近红外化学发光或荧光成像及信号强度分析。

（c-d）注射化学发光探针后对不同荷瘤小鼠肿瘤部位近红外化学发光成像及信号强度分析。

【结论展望】

综上所述，本文制备了两种新型长波长近红外化学发光探针（DPD-S和DPD-Se），其最大发射波长分别为760 nm和780 nm。与760 nm的高亮度相结合，DPD-S探针的化学发光使组织穿透深度比其他两种类似物更深入。将DPD-S作为分子化学发光探针（NCPS和NCPSg），分别检测ONOO-和β-gal。此外，在细胞和肿瘤小鼠模型中验证了NCPSg能够灵敏地检测到β-gal并在不同细胞中区分其表达水平。因此，该研究为开发近红外化学发光材料提供了一种原子替代方法，可以作为生物标志物在体开启光学成像的通用分子支架。

文献链接：Molecular Chemiluminescent Probes with a Record Long Near-infrared Turn-on Wavelength for In vivo Imaging(Angew. Chem. Int. Ed,2020, DOI: 10.1002/anie.202013531)

团队简介：

浦侃裔，现任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院副教授；2011年于新加坡国立大学获得博士学位，同年作为博士后加入斯坦福大学从事分子影像学研究，2015年6月以副教授受聘于南洋理工大学。

近年来，浦侃裔教授课题组主要探索有机材料在生物医学光子学中应用。目前主要(i)针对临床需求开发智能响应型活体荧光、自发光及光声成像分子探针用于早期疾病诊断;(ii) 针对基础生物医学开发基于半导体聚合物(SPN：semiconducting polymer nanoparticles)的纳米光子转换器用于在分子层面调控并了解生物过程；(iii)研究有机光学材料在肿瘤治疗中的应用。目前，该课题组已在癌症诊疗、皮肤病检测与药物毒性筛选中取得初步进展。例如，在2017年该课题组首次开创了基于可降解有机高分子纳米颗粒的分子余辉成像(MAI: molecular afterglow imaging)，并探索了其在疾病的早期诊断和治疗方面的潜在应用。该研究成果发表于国际顶级期刊Nature Biotechnology。在2019年该课题组设计了一种具有高效的肾清除效率的分子肾脏探针(MRPs: molecular renal probes)用于对药物性急性肾损伤(AKI: acute kidney injury)的体内光学成像。该探针的近红外荧光或者化学发光信号可以被AKI的前期生物标记物特异性地激活，使得该探针可以对实验小鼠肾脏内多个分子事件进行纵向成像。该研究成果发表于国际顶级期刊Nature Materials。另外，采用近红外荧光和光声等成像技术，该组实现了皮肤病、肝损伤以及肿瘤等疾病发展过程中相关生物标记物的活体检测，为疾病的早期诊断提供了有用信息。该团队研究方向也涉及智能响应型纳米医药，光热调控离子通道、基因表达和蛋白活性等相关研究。自2015年6月成立至今，该团队已在国际主流期刊上发表高水平文章80多篇（包括Nature Materials, Nature Biotechnology, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano等）。至今，浦侃裔教授累计发表高档次文章160多篇，SCI H-index = 65。目前，浦侃裔博士担任ACS Applied Polymer Materials 和Biomaterials Research副主编，Nano Research期刊Young Star主编，Advanced Functional Materials, Small, Bioconjugate Chemistry, ACS Applied Bio Materials, Advanced Biosystems和ChemNanoMat等期刊编委。

课题组主页：https://personal.ntu.edu.sg/kypu/index.html

近期代表性工作：

  1. Cheng Xu, Kanyi Pu. Second near-infrared photothermal materials for combinational nanotheranostics.Chemical Society Reviews, 2020, 49, accepted.
  2. Qianxi Dang, Yuyan Jiang, Jinfeng Wang, Jiaqiang Wang, Qunhua Zhang, Mingkang Zhang, Simeng Luo, Yujun Xie, Kanyi Pu, Qianqian Li, Zhen Li. Room-temperature phosphorescence resonance energy transfer for construction of near-infrared afterglow imaging agents.Advanced Materials, 2020, 32, DOI: 10.1002/adma.202006752.
  3. Xu Zhen, Kanyi Pu, Xiqun Jiang. Photoacoustic imaging and photothermal therapy of semiconducting polymer nanoparticles: signal amplification and second near-infrared construction.Small, 2020.
  4. Jingsheng Huang, Jiaguo Huang, Penghui Cheng, Yuyan Jiang, Kanyi Pu. Near-infrared chemiluminescent reporters for in vivo imaging of reactive oxygen and nitrogen species in kidneys.Advanced Functional Materials,2020, 30, 2003628 .

本文由大兵哥供稿。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu

标签：
分享到