新加坡南洋理工大學Adv. Mater.:用于生物醫學領域近紅外光調控的納米轉換器

【引言】

遠程調控生物活性有助于揭示生命系統中潛在的生理過程，并有可能研發出新的治療方式，因此它在生物學和醫學領域發揮了重要的作用。目前各種外部刺激（包括磁場、超聲波、加熱、電場和機械力）已經被用來調控生物體中指定部位的特定生物過程。這些刺激方法能夠實現多種生物活性的調控，包括基因轉染、信號通路、離子通道、蛋白質活性、細胞功能、生物分子分離和組織再生。然而，由于具有慢的磁熱效應，磁場需要數十到數千秒才能產生足夠的強度；并且在設置磁性設備時需要復雜的操作過程。超聲處理具有較差的組織靶向性，而且可能會導致惡性細胞的轉移性擴散。加熱、機械力和電刺激都很難實現在時間和空間上的可控制性。因此，這些外部刺激的局限性在一定程度上限制了它們的生物醫學應用。

調控生物過程的另一種替代方法是光調節。光具有無創性、高時空分辨率和易調控性等優勢，因此光調控有望應用于生物醫學領域的各個方面。除了用于殺死病變細胞的光熱療法（PTT）和光動力療法（PDT）之外，基于光調控的生物應用還包括離子通道的光熱打開、光敏蛋白的光刺激、生物分子的光活化控釋以及組織的光交聯等等。然而，光調控技術經常遇到一些限制其潛在應用的困境。這主要是由于在光調控中廣泛使用紫外光（UV）或可見光（大多數當前報道的光敏成分僅響應這些波長的光源）。紫外光和可見光由于其在活體組織中易于被吸收和散射，而具有非常淺的組織穿透深度。此外，紫外光具有很高的能量，很可能損壞生物分子（例如核酸，蛋白質和脂質），從而導致光毒性。為了解決這些問題，可以考慮用具有較低組織吸收、較少光散射和較強組織穿透能力的近紅外（NIR）光源（700-1000nm）替換UV和可見光，以實現對不同生物活性的光調控。

由于生物體內很少有內源性的生物分子能夠直接地響應NIR光，分子轉換器對于生物活性的光調控是必不可少的。就這一點而言，具有光學性質的納米材料已經展現出能夠將光轉換成各種形式的刺激因素從而調控生物過程或者生物分子活性的潛力。例如，上轉換納米顆粒（UCNP）可以將NIR光轉換成與光敏成分或蛋白質離子通道的吸收光譜相匹配的UV和可見光。有機半導體納米顆粒、氧化石墨烯、碳納米管和金屬納米顆粒可以轉換NIR光以產生局部熱量，從而實現光熱刺激對溫度敏感的生物行為。此外，在NIR光照射下，基于光敏劑的納米顆粒能夠產生活性氧自由基（ROS）以誘發活體中的生化反應。

【成果簡介】

在這篇綜述中，新加坡南洋理工大學浦侃裔教授課題組總結了用于近紅外光調控的光學納米轉換器的最新研究進展，包括神經元、基因表達和視覺系統的光調控以及光化學組織粘合。在文章中，作者討論了納米轉換器的設計原理、光學性質以及NIR光介導的光調控的作用機制。最后，該文章給出了一個簡短的總結，并討論了該領域目前的挑戰和前景。該成果以題為“Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.光學納米轉換器的近紅外光調控應用匯總

(a).神經元的光調控

(b).基因表達的光調控

(c).視覺系統的光調控

(d).光化學組織粘合

Figure 2.神經系統活性的光遺傳調控

(a).UCNP介導的NIR上轉換光遺傳示意圖

(b).在980nm激發下，UCNP的發射光譜。插圖：UCNP的上轉換發射強度隨激發強度的變化

(c).用于測量UCNP介導的深部腦組織NIR上轉換的體內纖維光度測定示意圖

(d).在不同距離的980nm NIR激光照射下VTA部位的上轉換發射光譜

(e).發藍光的NaYF₄:Yb/Tm@SiO₂ UCNP的示意圖

(f).UCNP介導的NIR光刺激VTA的小鼠體內實驗示意圖

(g).c-Fos陽性神經細胞的百分比

(h,i).在不同刺激條件下，腹側紋狀體中的瞬時DA濃度

(j).在（h）和（i）所示的五種條件下經顱刺激后15秒內腹側紋狀體中的累積DA釋放量

(k).發綠光的NaYF₄:Yb/Er@SiO₂ UCNP的示意圖

(l).在四種不同條件下經顱NIR光照射后海馬體的共聚焦熒光圖像

(m).在（1）所示的四種不同條件下c-Fos的表達

Figure 3. 神經細胞活性的光熱調控

(a).SP1和SP2的化學結構

(b).SPN和SPNbc的合成示意圖

(c).SPN1，SPN2和AuNR的吸收圖譜

(d).SPN1bc處理后ND7/23細胞和HeLa細胞的熒光圖像

(e).SPNbc控制的光熱激活神經元中TRPV1離子通道的示意圖

(f).在808nm激光照射之前和照射2秒之后，SPN1bc或SPN2bc處理后的ND7/23細胞或HeLa細胞的熒光圖像

(g).Fluo-8的熒光強度隨激光照射時間的變化

(h).Fluo-8的熒光強度隨著激光打開和關閉的變化

Figure 4.光遺傳納米平臺用以實現細胞內Ca²⁺依賴性基因表達的遠程光調控

(a).鏈霉抗生物素蛋白修飾的UCNP與基因編輯的ORAI1 Ca²⁺通道之間的相互作用示意圖

(b).由NIR光照射引發的體內NFAT依賴性熒光素酶表達的示意圖

(c).移植表達NFAT-Luc的HeLa細胞（左）、表達LOVSoc和NFAT-Luc（中間和右）的HeLa細胞后經過980nm激光照射（左和右）后BALB/c小鼠的生物發光成像。紅色圓圈表示細胞移植區域

(d).NIR刺激引起的Opto-CRAC DC細胞中Ca²⁺內流以促進未成熟的DC細胞的成熟和增強抗腫瘤免疫應答的示意圖

(e).NIR激光照射腫瘤接種部位后小鼠的圖片

(f).不同條件處理后腫瘤的生長曲線

(g).經治療后小鼠肺部轉移腫瘤的數量

(h).UCNP介導的光遺傳納米系統的應用示意圖

(i).使用UCNP將Fas-Cib1-EGFP和Cry2-mCherry FADD構建體（1：2比例）轉染到HeLa細胞中48小時并經過NIR激光照射后，Cry2-mCherry-FADD聚集到質膜上的Fas-Cib1-EGFP的時間過程

(j).經4W NIR激光或藍光LED照射處理2小時后，HeLa細胞中裂解的聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）片段的形成

Figure 5.活細胞和動物體中基因表達的遠程光熱調控

(a).DSP的化學結構和自組裝示意圖

(b).在808nm NIR激光照射下DSP介導的基因遞送和基因表達的遠程光熱激活的示意圖

(c).經808nm NIR激光照射前后，DSP/pHSP70-EGFP納米復合物轉染后的HeLa細胞的熒光圖像

(d).活體裸鼠中激光照射的示意圖

(e).經808nm激光照射細胞移植部位后活體小鼠的生物發光（BL）成像

(f).經（紅色）和不經（黑色）NIR激光照射，BL強度變化隨時間的變化曲線

(g).TRPV1抗體修飾的CuS納米顆粒介導的光熱激活TRPV1信號通路以減輕動脈粥樣硬化的示意圖

(h).經TRPV1抗體修飾的CuS納米顆粒通過光熱效應引起的Ca²⁺內流后VSMC中AMPK磷酸化和LC3I和LC3II表達

(i).主動脈根部的飽和油紅O染色圖像

Figure 6.轉基因系統的光調控

(a).NIR光介導的基于UCNP的納米復合物的KGN和Ca²⁺螯合劑或Ca²⁺供體的細胞內控制性釋放。

(b,c).皮下移植UCNP納米復合物標記的間充質干細胞到小鼠體內后21天軟骨細胞標記物（膠原蛋白II和聚集蛋白聚糖）（b）和肥大軟骨細胞標記物（RUNX2）（c）的免疫組織化學染色圖片

(d). 皮下移植UCNP納米復合物標記的間充質干細胞到小鼠體內后第21天成骨細胞標記物（骨鈣蛋白）和茜素紅S（ARS）染色的免疫組織化學染色圖片

Figure 7. UCNP介導的小鼠眼睛視覺系統的光調控

(a).在980nm NIR激光照射下UCNP的發射光譜

(b).注射PBS（左）和光感受器修飾的UCNP（pbUCNP）（右）后小鼠的視網膜的熒光圖像

(c).經不同方式處理后小鼠的視桿細胞的飽和光電流

(d).明暗箱實驗圖解

(e).在三種不同燈箱條件下，小鼠的暗箱偏好指數

(f).任務1-5的Y形水迷宮行為實驗示意圖

(g).任務1的刺激方式圖解

(h).小鼠光柵識別任務1的正確率

(i).不同條件下pbUCNP注射后小鼠和對照小鼠的視覺空間分辨率

Figure 8. UCNP介導的光化學組織粘合

(a).UCNP/PAAm/HA-RB納米復合物介導的光化學組織粘合示意圖

(b).豬皮的光化學組織粘合抗拉強度試驗

(c).經不同方式處理后粘合組織的拉力強度

(d).小鼠體內光化學組織粘合實驗示意圖

(e).經不同方式處理后小鼠皮膚的圖片

【小結】

利用光來遠程調控生物活性的光調控提供了一種可在生物醫學中廣泛應用的新方法。然而，其發展潛力受到與內源性光敏感成分相匹配的紫外（UV）/可見光的淺組織穿透能力和光毒性的限制。因此，研究人員將具有更好組織穿透能力的近紅外（NIR）光用于光調控。生物體內存在很少量的內源性生物分子能夠吸收或發射NIR光，因此基于具有NIR光學特性的納米轉換器吸引了很多關注。在這方面，這些光學納米材料能夠將NIR光轉換成UV /可見光、熱或自由基，從而實現不同的光調控應用。在這篇綜述中，作者總結了用于NIR光介導的生物醫學領域光調控的光學納米轉換器的最新研究進展（包括神經活性、基因表達和視覺系統的光調控以及光化學組織粘合）。此外，作者還討論了該領域目前的挑戰和前景。

文獻鏈接：

Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901607)

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通訊作者簡介

浦侃裔，現任新加坡南洋理工大學化學與生物醫學工程學院副教授；2011年于新加坡國立大學獲得博士學位，同年作為博士后加入斯坦福大學從事分子影像學研究，2015年6月以副教授受聘于南洋理工大學。

近年來，浦侃裔教授課題組主要探索有機材料在生物醫學光子學中應用。目前主要(i)針對臨床需求開發智能響應型活體熒光、自發光及光聲成像分子探針用于早期疾病診斷;(ii) 針對基礎生物醫學開發基于半導體聚合物(SPN：semiconducting polymer nanoparticles)的納米光子轉換器用于在分子層面調控并了解生物過程；(iii)研究有機光學材料在腫瘤治療中的應用。目前，該課題組已在癌癥診療、皮膚病檢測與藥物毒性篩選中取得初步進展。例如，在2017年該課題組首次開創了基于可降解有機高分子納米顆粒的分子余輝成像(MAI: molecular afterglow imaging)，并探索了其在疾病的早期診斷和治療方面的潛在應用。該研究成果發表于國際頂級期刊Nature Biotechnology。在2019年該課題組設計了一種具有高效的腎清除效率的分子腎臟探針(MRPs: molecular renal probes)用于對藥物性急性腎損傷(AKI: acute kidney injury)的體內光學成像。該探針的近紅外熒光或者化學發光信號可以被AKI的前期生物標記物特異性地激活，使得該探針可以對實驗小鼠腎臟內多個分子事件進行縱向成像。該研究成果發表于國際頂級期刊Nature Materials。另外，采用近紅外熒光和光聲等成像技術，該組實現了皮膚病、肝損傷以及腫瘤等疾病發展過程中相關生物標記物的活體檢測，為疾病的早期診斷提供了有用信息。該團隊研究方向也涉及智能響應型納米醫藥，光熱調控離子通道、基因表達和蛋白活性等相關研究。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，浦侃裔教授累計發表高檔次文章140多篇，SCI H-index = 59。目前，浦侃裔博士擔任ACS Applied Polymer Materials 和Biomaterials Research副主編，Nano Research期刊Young Star主編，Advanced Functional Materials, Bioconjugate Chemistry, ACS Applied Bio Materials, Advanced Biosystems和ChemNanoMat等期刊編委。

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

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近期代表性工作：

1. Huang, J. Li, Y. Lyu, Q. Miao, K. Pu*. Molecular optical imaging probes for early diagnosis of drug-induced acute kidney injury. Nat. Mater., 2019, DOI: 10.1038/s41563-019-0378-4.
2. Miao, C. Xie, X. Zhen, Y. Lyu, H. Duan, X. Liu, J. Jokerst, K Pu*. Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles. Nat. Biotechnol., 2017, 35, 1102-1110.
3. Jiang, J. Huang, X. Zhen, Z. Zeng, J. Li, C. Xie, Q. Miao, J. Chen, P. Chen, K. Pu*. A generic approach towards afterglow luminescent nanoparticles for ultrasensitive in vivo imaging. Nat. Commun., 2019, 10, 2064.
4. Cheng, Q. Miao, J. Li, J. Huang, C. Xie, K. Pu*. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, accepted.
5. Li, J. Huang, Y. Lyu, J. Huang, Y. Jiang, C. Xie, K. Pu*. Photoactivatable organic semiconducting pro-nanoenzymes. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4073-4079.
6. He, C. Xie, Y. Jiang, K. Pu*. An organic afterglow protheranostic nanoassembly. Adv. Mater., 2019, 31, 1902672.
7. Jiang, J. Li, Z. Zeng, C. Xie, Y. Lyu, K. Pu*. Organic photodynamic nanoinhibitor for synergistic cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 8161-8165.
8. Cui, J. Huang, X. Zhen, J. Li, Y. Jiang, K. Pu*. Semiconducting polymer nano-prodrug for hypoxia-activated synergetic photodynamic cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 5920-5924.
9. Lyu, D. Cui, J. Huang, W. Fan, Y. Miao, K. Pu*. Near-infrared afterglow semiconducting nano-polycomplexes for multiplex differentiation of cancer exosomes. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 4983-4987.
10. Jiang, P. Upputuri, C. Xie, Z. Zeng, A. Sharma, X. Zhen, J. Li, J. Huang, M. Pramanik, K. Pu*. Metabolizable semiconducting polymer nanoparticles for second near-infrared photoacoustic imaging. Adv. Mater., 2019, 31, 1808166.
11. Li, K. Pu*. Development of organic semiconducting materials for deep-tissue optical imaging, phototherapy and photoactivation. Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 38-71.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。

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