南洋理工浦侃裔Adv. Mater.: 有機半導體材料在深層組織分子成像中的應用

【引言】

光學成像在生物學和醫學中有著非常重要的作用，但是其依然存在諸多問題，比如由于光散射和組織自發熒光引起的較低的信噪比和較淺的組織探測深度。為了解決這些問題，NIR-II熒光成像、自發光成像和光聲成像技術開始出現并受到了廣泛的關注。這些成像技術分別通過減少光與組織的相互作用、消除實時光激發和檢測聲音信號來達到更優質的成像效果。因為滿足光譜吸收/發射范圍超出可見光區域的內源性分子的缺少，所以需要開發顯影劑用于深層組織光學成像。擁有π共軛結構的有機半導體材料，由于較容易的化學修飾和明確的結構-性能關系，可以通過不同的設計與合成來滿足不同成像技術的要求。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學的浦侃裔教授（通訊作者）在國際權威雜志Adv. Mater.上在線發表了題為"Organic Semiconducting Agents for Deep-Tissue Molecular Imaging: Second Near-Infrared Fluorescence, Self-Luminescence, and Photoacoustics"的綜述文章。文章總結了基于有機半導體材料的小分子和納米粒子顯影劑在深層組織光學成像中的應用；重點討論了通過優化分子設計和材料制備等策略來提高顯像劑的成像的組織穿透能力和靈敏度；并最后展望了現階段面臨的挑戰和未來潛在的機遇。

【圖文導讀】

NIR-Ⅱ熒光成像

NIR-Ⅱ熒光成像主要利用1000-1700?nm波長范圍的光子進行成像。和NIR-Ⅰ熒光成像相比，NIR-Ⅱ熒光成像具有更少的光散射和更低的組織自發熒光，因此具有更高的成像信噪比和穿透深度。

自發光成像

自發光成像由于無需實時光激發，可以完全避免實時光激發所造成的組織自發熒光。因此，和傳統的熒光成像技術相比，自發光成像具有較低的成像背景值和較高的成像信噪比。自發光成像有三種類型：生物發光、化學發光和余輝發光。生物發光依賴于酶反應來產生光子；化學發光是通過基質與活性氧化物質之間的化學反應來產生光子；余輝發光是材料在光激發結束后，以光的形式將能量緩慢釋放的發光現象。

光聲成像

光聲成像是一種結合光學吸收和超聲波傳播的新影像技術，其利用脈沖激光作為激發源，吸收體將吸收的光能量轉化為熱能并引起局部溫度升高，從而導致熱膨脹并產生壓力波，即光聲信號。因為聲音信號在組織中的散射幾乎可以忽略，所以光聲成像的組織探測深度僅取決于激發光的組織穿透深度，而不像熒光成像同時取決于激發光和發射光的組織穿透深度，因此可以實現更深組織的成像。

Figure 1.?光與生物組織之間相互作用的示意圖

(a). 熒光成像

(b). 自發光成像

(c). 光聲成像

(d). 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收光譜

(e). 不同生物組織的散射系數

(f). 不同小鼠器官的自熒光光譜圖

Scheme 1. 用于NIR-Ⅱ熒光成像的SPs/SMs的化學結構式

Scheme 2.與SPs/SMs共沉淀制備有機半導體納米材料的a) 小分子和b) 兩親性聚合物的化學結構式。

Figure 2. NIR-Ⅱ熒光成像

(a). SPN1的吸收和發射光譜

(b). 小鼠的股動脈NIR-Ⅱ熒光成像

(c,d). 基線扣除前后的NIR-Ⅱ熒光強度

(e). 在不同時間，紅框區域內的NIR-Ⅱ熒光成像

(f). 峰值強度和心臟脈搏之間的擬合曲線

(g). SMN3的吸收和發射光譜

(h). 注射SM3和SWCNTs后，小鼠的NIR-Ⅱ熒光成像

(i).?注射SM3后，小鼠器官NIR-Ⅱ熒光強度的定量

(j). 注射SM3和ICG后，小鼠腦血管的熒光成像

(k). 小鼠接受NIR-Ⅱ熒光成像輔助手術切除腫瘤前后的熒光成像

(l). NIR-Ⅱ熒光成像的信噪比

Figure 3. 腫瘤的近紅外生物發光成像

(a). SPNs自發光BRET-FRET示意圖

(b). SPNs-BF生物發光發射光譜

(c). SPN2-BF-cRGD的生物發光成像和熒光成像

(d). c中成像圖的信噪比

Scheme 3. 用于自發光成像的SPs和SMs的化學結構式

Figure 4. 近紅外化學發光和熒光對藥物誘導肝毒性的成像

(a). SPN3-CF檢測H₂O₂和ONOO^-/^-OCl的化學發光通道和熒光通道示意圖

(b). 化學發光強度隨H₂O₂濃度的變化

(c). 加入ONOO^-，熒光光譜的變化

(d). 小鼠的化學發光成像和熒光成像圖

(e,f). 肝臟的化學發光強度和熒光強度

Figure 5. 神經炎癥的近紅外化學發光成像

(a). CRET機理示意圖

(b). SPNs的熒光和化學發光量子產率隨能帶的變化

(c). SPN7的化學發光光譜和熒光光譜

(d). 小鼠化學發光成像圖

(e). 化學發光強度

Figure 6. 體內超長磷光成像

(a). SMNs超長磷光的機理

(b). SMNs歸一化的磷光光譜

(c). 檢測超長磷光示意圖

(d). SMNs的體外超長磷光成像

(e). 注射SMN11-T后，淋巴結的超長磷光和熒光成像

(f). 淋巴結成像的信噪比

Figure 7. 分子余輝發光成像

(a). 基于PPV的SPNs余輝發光成像機理

(b). SPNs摻雜NCBS后的余輝發光和熒光的定量

(c). SPN2-NCBS5穿透示意圖

(d). SPN2-NCBS5在小鼠中的余輝成像和熒光成像

(e). d中的信噪比

(f). 腫瘤成像示意圖

(g). 小鼠的腫瘤成像和余輝成像

(h). 信噪比隨時間的變化

(i). 生物巰基活化的余輝成像示意圖

(j). 小鼠經過不同處理后的余輝成像

(k). 肝臟信噪比隨時間的變化

Figure 8. 可激活的光聲分子成像

(a). SPNs用于光聲成像示意圖

(b). ROS處理SPNs前后的光聲譜圖

(c). 在注射SPN8后，小鼠的PA/超聲成像

(d). 在注射SPN8后，光聲信號隨時間的變化

(e). 基于SMN的探針用于pH傳感

(f,g). SMN的腫瘤光聲成像

(h). 光聲信號隨SMN16注射時間的變化

Scheme 4. 用于光聲成像的SPs和SMs的化學結構式

Figure 9. 摻雜放大光聲成像

(a). SPNs通過PET的光聲成像示意圖

(b). SPN溶液在離心管中的熒光信號和光聲信號

(c). SPN溶液在激光照射300秒之后的紅外圖

(d). 腫瘤光聲成像

(e). 光聲信號隨時間的變化

Figure 10. 表面修飾放大光聲成像

(a). 通過表面修飾的SPNs光聲成像示意圖

(b). SPN15和SPN15-SiO₂在不同濃度的光生成像

(c). 通過波函數和格林函數來模擬光聲成像信號

(d). SPN15和SPN15-SiO₂的COMSOL模擬示意圖

(e). SPNs表面溫度的模擬

(f). SPNs表面光聲信號的模擬

Figure 11. 自組裝增強光聲成像

(a). 自組裝增強光聲成像示意圖

(b). SM17的光聲振幅隨直徑的變化

(c). BSO處理和未處理的小鼠光聲成像

(d). BSO處理和未處理的小鼠中，光聲信號振幅隨時間的變化

Figure 12.?NIR-Ⅱ光聲成像

(a). SPN11-Ⅰ和SPN16-Ⅱ的吸收光譜

(b). SPN11-Ⅰ和SPN16-Ⅱ的光聲譜圖

(c). 含有不同濃度SPN16-Ⅱ的凝膠的圖像

(d). 含有SPN16-Ⅱ的凝膠的光聲圖像

(e). PA信噪比隨時間的變化

(f). SPN16-Ⅱ的體內光聲成像

(g). f中的信噪比

【結論與展望】

和傳統的近紅外成像相比，NIR-Ⅱ熒光成像具有較少的光與組織的相互作用，自發光成像可消除實時光激發引起的自發熒光，以及光聲成像通過檢測基本無散射的聲音信號，因此大大提高了成像信噪比以及組織穿透深度。盡管已有諸多基于有機半導體材料的顯像劑被開發出來，并取得了優異的成像性能，但是還有諸多問題亟待攻克與解決，比如進一步提高NIR-Ⅱ熒光顯像劑的量子產率?，開發可激活的NIR-Ⅱ熒光和光聲顯像劑以及多功能分子顯像材料等。未來將會有更多更優成像性能的顯影劑用于深層組織成像的材料被開發出來。

文獻鏈接：Organic Semiconducting Agents for Deep-Tissue Molecular Imaging: Second Near-Infrared Fluorescence, Self-Luminescence, and Photoacoustics?(Adv. Mater., 2018,?DOI：10.1002/adma.201801778)

課題組介紹：

浦侃裔?(Pu Kanyi) 教授現為新加坡南洋理工大學（QS World University Rankings #12）化學與生物醫學工程學院(SCBE)副教授。目前的研究方向側重于有機光學納米探針在疾病診療與藥物毒性檢測中的應用，涉及智能響應型活體熒光、光聲成像，納米醫藥，光熱調控離子通道與基因表達等研究。首次提出的可降解共軛聚合物用于余輝分子成像(molecular afterglow imaging)近期發表于Nature Biotechnology。自2015年6月成立至今，該團隊已在國際主流期刊上發表高水平文章50多篇（包括Nat. Biotechnol., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett.等）。浦侃裔教授至今累計發表高檔次文章100多篇，SCI H-index = 48。

課題組主頁：http://www.ntu.edu.sg/home/kypu/index.html

近期優質文獻推薦：

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2. Qingqing Miao, Kanyi Pu. Organic Semiconducting Agents for Deep–tissue Molecular Imaging: ?Second Near–Infrared Fluorescence, Self–luminescence, and Photoacoustics. Adv. Mater., 2018, 30, 1801778.
3. Xu Zhen, Kanyi Pu et al. Macrotheranosticprobe with disease-activated near-infrared fluorescence, photoacoustic and photothermal signals for imaging-guided therapy.?Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57, 7804–7808.?
4. Chen Xie, Kanyi Pu et al. Self-assembled semiconducting polymer nanoparticles for ultrasensitive near-infrared afterglow imaging of metastatic tumors. Adv. Mater., 2018, 30, 1801331.
5. Jingchao Li, Kanyi Pu et al. Semiconducting polymer nanoenzymes with photothermic activity for enhanced cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 2018, 57, 3995–3998.
6. Xu Zhen, Kanyi Pu et al. Temperature-correlated afterglow of a semiconducting polymer nanococktail for imaging-guided photothermal therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57, 3938–3942. (VIP)
7. Qingqing Miao, Kanyi Pu et al. Near-infrared fluorescent molecular probe for sensitive imaging of keloid. Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57,1256-1260.
8. Yuyan Jiang, Kanyi Pu et al. Dual-peak absorbing semiconducting copolymer nanoparticles for first and second near-infrared window photothermal therapy: a comparative study. Adv. Mater., 2018, 30, 1705980.
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10. Houjuan Zhu, Kanyi Pu et al. Oxygenic hybrid semiconducting nanoparticles for enhanced photodynamic therapy. Nano Lett., 2018, 10, 586-594.
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12. Yan Lyu, Kanyi Pu et al. Dendronized semiconducting polymer as photothermal nanocarrier for remote activation of gene expression. Angew. Chem., Int. Ed., 2017, 129, 9283-9287.
13. Chen Xie, Kanyi Pu et al. Nanoparticle regrowth enhances photoacoustic signals of semiconducting macromolecular probe for in vivo imaging. Adv. Mater., 2017, 29, 1703693.
14. Xu Zhen, Kanyi Pu et al. Ultralong phosphorescence of water-soluble organic nanoparticles for in vivo afterglow imaging. Adv. Mater., 2017, 29, 1606665.
15. Jianjian Zhang, Kanyi Pu et al. Activatable photoacoustic nanoprobes for in vivo ratiometric imaging of peroxynitrite. Adv. Mater., 2017, 29, 1604764.
16. Yuyan Jiang, Kanyi Pu et al. Broadband absorbing semiconducting polymer nanoparticles for photoacoustic imaging in second near-infrared window. Nano Lett., 2017, 17, 4964-4969.
17. Yan Lyu, Kanyi Pu et al. Semiconducting polymer nanobioconjugates for targeted photothermal activation of neurons. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 9049-9052.
18. Qingqing Miao, Kanyi Pu et al. Semiconducting oligomer nanoparticles as an activatable photoacoustic probe with amplified brightness for in vivo imaging of pH. Adv. Mater., 2016, 28, 3662-3668.
19. Yan Lyu, Kanyi Pu et al. Intraparticle molecular orbital engineering of semiconducting polymer nanoparticles as amplified theranostics for in vivo photoacoustic imaging and photothermal therapy. ACS Nano, 2016, 10, 4472–4481.

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ??