華東理工大學Advanced Materials：自組裝高分子對腫瘤乏氧的定量檢測

【前言】

比率光學成像有望實現癌細胞誘導的缺氧微環境的無創可視化，因為它可以通過內置校準從微觀到宏觀提供癌癥的實時準確信息。迄今為止，腫瘤缺氧的比率光學成像的大量工作依賴于基于雙色透射比的系統，這不可避免地會損害成像精度和特異性，因為內部參考部分和感測發色團之間存在能量/電荷轉移相互作用。目前，通過基于單色團的傳感器和比率讀數來準確診斷癌癥缺氧仍然具有挑戰性。

【成果簡介】

在實體瘤中有一種常見現象是腫瘤供氧不足，也叫腫瘤乏氧，它與癌癥的發生、發展和轉移息息相關。癌細胞的異常增殖會產生局部的乏氧微環境，因此發展專一識別、高靈敏的乏氧分子探針對腫瘤診斷具有非常重要的意義。近日，來自華東理工大學的郭志前教授和朱為宏教授（共同通訊）課題組在Advanced Materials上發表文章，題為“Self‐Assembly of a Monochromophore‐Based Polymer Enables Unprecedented Ratiometric Tracing of Hypoxia”。 研究人員巧妙地構建了非芳香性團簇發光策略，首次發展了一種單熒光團內標比率型納米熒光探針，成功地實現了對腫瘤乏氧的定量檢測，為解決傳統的乏氧熒光探針檢測精度問題提供了一種重要研究工具。該分子探針在兩個不同的波長同時分別表達對氧氣惰性的熒光信號和氧氣敏感的磷光信號，能完美地實現單熒光團體系對乏氧進行比率檢測，有效地克服傳統探針體系中能量/電子轉移所引起的干擾，表現出良好的光/pH穩定性和較低的細胞毒性，在細胞和活體層面均能夠實現乏氧精準檢測與實時成像。

【圖文導讀】

圖1. Pt‐TPP‐PVP₄₃₀尺寸表征和熱力學穩定性

a) DLS測試；

b) TEM圖；

c) 平均流體動力直徑；

d) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀照片；

圖2. Pt‐TPP‐PVP₄₃₀的光學性能以及它的光學響應

a) TPP‐PVP₄₃₀和Pt‐TPP‐PVP₄₃₀ 吸附圖；

b) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀的氧相關發射光譜；

c) Stern - Volmer圖和比率熒光/磷光響應與氧水平的線性相關性

d) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀的的可逆氧傳感；

e) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀在760 nm的磷光衰減；

f) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀在660 nm的熒光衰減；

圖3. Pt‐TPP‐PVP₄₃₀對乏氧的比率成像

a–c) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀處理A549細胞的共焦圖像和比率圖像；

d) 不同氧水平下平均發光強度的比率；

圖4. 靜脈注射Pt‐TPP‐PVP₄₃₀后不同時間點荷瘤小鼠體內缺氧生物成像。

a,b) 在660 ± 20 nm和760 ± 20 nm下照片；

c,d) 解剖后主要內臟器官的熒光圖像以及相應的成像窗口；

e) 注射Pt‐TPP‐PVP₄₃₀后48h小鼠體內缺氧的3D生物成像；

【總結】

這項工作的重點是如何構建一種沒有共軛內參比部分的比率探針，以避免傳統的基于雙比率探針中的能量/電荷轉移相互作用。通過借用非芳香族團簇體發光策略，開發了一種獨特的基于單色團的比例納米傳感器Pt - TPP - PVP₄₃₀，最初它表現出的氧敏感Pt-TPP磷光和來自特定團簇誘導產生的另一個氧不敏感熒光發射，它能夠實現比率型檢測乏氧的內標參比自校正，這將是前所未有的內置自校準。正圖所示，Pt‐TPP‐PVP₄₃₀獨特的近紅外熒光和磷光發射使得不僅在水介質中，而且在活細胞中定量和可逆地實現比率感測缺氧水平。研究人員通過巧妙地構建了非芳香性團簇發光策略，首次發展了一種單熒光團內標比率型納米熒光探針，成功地實現了對腫瘤乏氧的定量檢測，為解決傳統的乏氧熒光探針檢測精度問題提供了一種重要研究工具。該分子探針在兩個不同的波長同時分別表達對氧氣惰性的熒光信號和氧氣敏感的磷光信號，能完美地實現單熒光團體系對乏氧進行比率檢測，有效地克服傳統探針體系中能量/電子轉移所引起的干擾，表現出良好的光/pH穩定性和較低的細胞毒性，并成功對活A549細胞缺氧水平和對體內荷瘤小鼠缺氧靶向生物成像，實現了細胞和活體層面均能夠實現乏氧精準檢測與實時成像。

文獻鏈接：Self‐Assembly of a Monochromophore‐Based Polymer Enables Unprecedented Ratiometric Tracing of Hypoxia, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201805735).

上述論文由博士研究生王書文和博士后顧開智在朱為宏教授和郭志前教授的共同指導下完成，并得到了田禾院士的悉心指導。近年來，朱為宏教授課題組在有機功能近紅外染料領域取得了一系列重要進展：Chem. Sci., 2018, 9, 4959; Chem. Sci., 2018, 9, 6176; Chem. Sci., 2017, 8, 2115; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5334; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2219; Adv. Mater., 2016, 28, 3187。上述系列研究成果受到國家自然科學基金基礎科學中心項目，優秀青年基金項目，以及國家重點研發計劃資助。

團隊主要成員介紹:

朱為宏教授，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，東方學者，科技部創新人才推進計劃，上海市學術帶頭人，國家“萬人計劃”領軍人才。現擔任“影像科學與光化學”第八屆常務副主編、中國感光學會第八屆理事會常務理事、Dyes and Pigments國際編委等學術兼職職務。迄今已在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、等發表SCI收錄論文210篇，，H指數為60，SCI引用11000余次。主持或參與國家自然科學基金、科技部“973”等科研項目25項。曾獲上海市自然科學一等獎2項和國家自然科學獎二等獎1項。

郭志前教授，國家優秀青年基金獲得者，青年長江學者，目前主持基金委優青、面上、霍英東青年教師基金等項目。主要從事功能性生物熒光染料創制和應用研究。針對有機熒光染料在生物醫藥、信息材料、環境生態等交叉領域中的應用創新問題，開展功能性熒光染料創制和應用研究，發展了系列高性能、精細化、可產品化的近紅外熒光染料。迄今，已在Chem. Soc. Rev.、Nature Protocols、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等國際一流雜志上發表SCI論文60余篇，SCI他引4400余次，H指數為33。曾獲上海市自然科學一等獎1項。

本文由材料人編輯部高分子組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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