ACS Nano：有機半導體聚合物納米粒子用于干細胞近紅外II窗光聲標記和示蹤

【研究背景】

人骨髓間充質干細胞（hMSCs）由于具有多能性而引起廣泛研究。目前常用熒光、MRI及PET對其進行成像和示蹤，但都存在各自的缺點和不足。光聲成像（PA）是一種活體光學成像技術，它具有更大的成像深度及更高的空間分辨率。但是目前的光聲造影劑的生物安全性及近紅外一區（NIR-I）成像限制了其在干細胞成像及示蹤方面的應用。由半導體聚合物（SP）制備的有機半導體聚合物納米粒子（OSPN）具有用于成像和治療的優異光學性質。與一些無機納米材料相比，OSPN具有優異的光學性能，良好的生物相容性和較高的光熱轉換效率等優點，已被廣泛用于熒光，化學發光，長余輝和光聲成像，以及光熱和光動力治療。此外，SP的結構多功能性使得制備從紫外到NIR-II區域的不同吸收帶的OSPN成為可能。

【成果簡介】

近日，香港中文大學邊黎明教授聯合香港城市大學王立代博士、新加坡南洋理工大學浦侃裔副教授等，報道了具有近紅外二區（NIR-II）吸收性質的半導體聚合物納米粒子（OSPN+）并研究了其在活體深層組織內對干細胞的二區光聲追蹤效果。生物組織的比較研究表明，OSPN+的NIR-II光激發PA成像比NIR-I光激發PA成像具有更高的信噪比，從而證明了OSPN+對深部組織成像的優越性。OSPN+具有良好的生物相容性，合適的尺寸和優異的表面特性，展現出增強的細胞攝取能力，可高效地對干細胞進行PA標記。體內研究顯示，與未標記的細胞相比，皮下和腦成像中移植的OSPN+標記的hMSCs細胞的NIR-II PA對比增強分別為40.6和21.7倍。該研究成果今日以題為“Organic Semiconducting Polymer Nanoparticles for Photoacoustic Labeling and Tracking of Stem Cells in the Second Near-Infrared Window”發表在知名期刊ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一：聚合物合成、納米粒子制備及在體內成像應用

(a) OSPNs+的制備方法和體內干細胞標記示意圖；
(b) OSPNs-和OSPNs+的水溶液照片；
(c) 半導體聚合物的合成路線。

圖二：OSPNs+的形貌、尺寸及光聲（PA）性質表征

(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電位表征；
(d) OSPNs+水溶液的吸收光譜；
(e) OSPNs+水溶液和純水的PA強度表征；
(f)(g)(h) 歸一化的OSPNs+水溶液在532nm，860nm和1064nm處的PA強度與濃度之間的線性關系（插圖：不同濃度下PA成像圖）；
(i) 歸一化的OSPNs+水溶液在532nm，860nm和1064nm處的PA強度隨激光脈沖變化結果。

圖三：OSPNs+對hMSCs細胞的毒性、PA成像效果以及多能性影響

(a) 孵育12小時后OSPNs+對hMSCs細胞的毒性表征；
(b) OSPNs-（左）和OSPNs+（右）與hMSCs細胞孵育12h的PA成像圖（532nm）；
(c) 經OSPNs+標記的hMSCs細胞體外成像示意圖；
(d) OSPNs-和OSPNs+與hMSCs細胞孵育后在860nm和1064nm處的PA成像圖；
(e) OSPNs+對hMSCs細胞多能性的影響。

圖四：不同成像深度下NIR-I PA和NIR-II PA成像效果對比

(a) 不同厚度雞肉組織覆蓋下不同濃度OSPNs+溶液在NIR-I或NIR-II激發下的PA成像圖；
(b) 不同濃度下OSPNs+溶液在860nm處的信噪比與組織厚度的關系；
(c) 不同濃度下OSPNs+溶液在1064nm處的信噪比與組織厚度的關系；
(d) OSPNs+溶液在860nm和1064nm處PA成像的信噪比與組織厚度的線性關系（【OSPNs+】= 0.573 mg/mL）。

圖五：OSPNs+的活體PA成像

(a) OSPNs+標記與未標記的hMSCs細胞皮下移植后在不同時間點的超聲-光聲成像疊加圖像；
(b) OSPNs+標記與未標記的hMSCs細胞裸鼠腦移植后的超聲-光聲成像（NIR-I和NIR-II）的圖像；
(c) NIR-I和NIR-II激發下OSPNs+標記的hMSCs細胞在裸鼠腦移植后的PA成像信噪比。

【小結】

本文報道了具有近紅外二區（NIR-II）吸收性質的半導體聚合物納米粒子（OSPN+）并研究了其在活體深層組織內對干細胞的二區光聲追蹤效果。生物組織對比研究表明，OSPN+在NIR-II光激發下的PA成像效果明顯優于其NIR-I PA成像，從而證明了OSPN+在深層組織成像中的優越性。并且OSPN+具有良好的生物相容性、適宜的尺寸和優異的表面性質，這些都有利于增強細胞對OSPN+的吸收。體內研究顯示，與對照組相比，OSPN+標記的人間充質干細胞（hMSCs）在皮下和腦移植后的NIR-II PA對比分別增強了40.6和21.7倍。此外，NIR-II區PA成像在深部腦組織中表現出比NIR-I區PA成像更高的信噪比（1.38倍），進一步證明了其對干細胞標記和追蹤的優越性。

文獻鏈接：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組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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