Adv. Mater.報道: 又一重大突破！NIR AIEgens助力深部腦血管和腫瘤血管造影

【背景介紹】

眾所周知，血管在人體生命活動中起著至關重要的作用，許多疾病的發生和發展都與血管系統息息相關。其實，實體瘤的生長和轉移中所需要的營養物質和氧氣都是通過腫瘤微環境中的血管遞送。腫瘤血管通常具有滲漏、擴張和曲折等異常功能和結構，并且腫瘤血流中的異質性會增加。因此，破壞腫瘤血管以剝奪氧氣和營養物質供應的抗血管生成療法是一種新興的抗腫瘤方法。但破壞腫瘤血管系統可能不利于通過血管向腫瘤組織遞送化療藥物。除了腫瘤微環境血管之外，許多心腦血管疾病也與腦血管異常密切相關。因而有效識別和監測腦和腫瘤血管系統結構、形態和動態變化將為相應疾病診斷治療提供有用信息。目前常用的腫瘤造影方法（包括核磁共振成像，CT成像等）成像分辨率較低，通常只能顯示腫瘤的宏觀形態和大小變化，并不能準確監測腫瘤內部微環境的結構變化和動態活動。熒光顯微成像，尤其是雙光子熒光顯微術（2PFM），因其使用近紅外區域（NIR）的激發光而有更深的組織穿透和成像效果。近年來利用進紅外二區（NIR-II）的激發光已經展現出巨大的深層組織成像優勢。相比于傳統的近紅外一區（NIR-I）激發光，NIR-II的光具有更深的組織穿透能力和更小的組織背景自發熒光。因此，NIR-II激發下的2PFM有望實現體內腫瘤深部血管成像。利用NIR-II激發2PFM，需要熒光分子在長波長區域有較好的吸收，并且在近紅外區域有高量子產率的熒光發射。目前被美國食品藥品監管局（FDA）批準的用于臨床應用的近紅外熒光分子，吲哚菁綠（ICG）和亞甲藍（MB），存在光穩定性差和易被清除的缺點，尤其是聚集時會出現猝滅（ACQ）效應。因此，開發具有長波長吸收和發射特性的NIR-II可激發的，并且具有聚集誘導發光（AIE）特性的熒光分子，將在體內深部腫瘤成像中擁有廣闊的應用前景。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學的劉斌教授和南京工業大學劉杰教授（共同通訊作者）聯合報道了一種具有長波長吸收和聚集誘導NIR發射的高亮度熒光團（BTPETQ）用于NIR-II（1200 nm）激發下對小鼠大腦和腫瘤血管實現雙光子熒光（2PF）活體成像。通過納米沉淀法制備的BTPETQ點在水介質中尺寸均勻，熒光量子產率高達19±1%。用BTPETQ點標記小鼠大腦血管網絡結構的2PF成像展示了一個深度為924 μm的三維血管網絡。在BTPETQ點標記的腫瘤血管造影中，與正常組織中的血管相比，腫瘤血管顯示出增強的雙光子熒光，這可能是由于腫瘤血管特殊的滲漏結構和增強的異質性導致的。這種明顯的造影差異有助于識別和監測正常組織血管與腫瘤組織中的變異血管，為腫瘤的檢測以及術后微小殘余腫瘤組織的高靈敏檢測提供幫助。此外，通過對比分析同一腫瘤組織在NIR-I和NIR-II激發下的雙光子熒光成像，證明了NIR-II激發光在更深層組織和更高信噪比成像中的巨大優勢。本研究強調了開發NIR-II區激發的高效NIR熒光團用于體內深層組織和高對比度腫瘤成像的重要性。研究成果以題為“NIR-II-Excited Intravital Two-Photon Microscopy Distinguishes Deep Cerebral and Tumor Vasculatures with an Ultrabright NIR-I AIE Luminogen”發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。第一作者為新加坡國立大學王少偉博士，通訊作者為新加坡國立大學劉斌教授和南京工業大學劉杰教授，合作者包括新加坡科技局Chi Ching Goh博士和Lai Guan Ng博士。

【圖文解讀】

圖一、BTPETQ的結構和性質
（a）BTPETQ的化學結構和BTPETQ點合成的示意圖；

（b）BTPETQ在不同體積分數的THF/水中的光致發光（PL）光譜；

（c）在THF/水混合物中BTPETQ的歸一化PL強度；

（d）BTPETQ點在水介質中的尺寸分布；

（e）BTPETQ點在水介質中的吸收和熒光光譜；

（f）基于單個納米點計算的BTPETQ點的雙光子吸收截面（σ₂）；

（g）在相同的飛秒激光照射下，BTPETQ點、Qtracker 705和Alexa Fluor 647的歸一化雙光子熒光強度。

圖二、BTPETQ點標記的小鼠腦血管網絡的活體成像
（a）在NIR-II（1200 nm）激發下，不同深度區域的腦血管網絡的3D重構雙光子熒光圖像；

（b）在NIR-II（1200 nm）激發下，從0-924 μm深度的腦血管網絡的3D重構雙光子熒光圖像；

（c-d）在NIR-1（920 nm）（c）和NIR-II（1200 nm）（d）激發下，不同深度的相同腦血管的雙光子熒光圖像；

（e）（c）和（d）中深度為500和788 μm的圖像的歸一化線強度分布。

圖三、BTPETQ點在體內腫瘤血管中成像
（a）小鼠耳腫瘤模型的2PF活體成像示意圖；

（b）具有腫瘤的小鼠耳垂直橫截面圖；

（c-d）正常耳真皮的三維重構SHG圖像和真皮中BTPETQ點標記的正常耳血管的2PF圖像；

（e）插圖（c）和（d）的疊加圖像；

（f-g）腫瘤真皮的三維重構SHG圖像（f）和由BTPETQ點標記的腫瘤血管的2PF圖像（g）；

（h）耳腫瘤邊界處的血管的2PF圖像；

（i）注射24 h后，在腫瘤中累積的BTPETQ點的3D重構2PF圖像；

（j）LuminiCell Tracker 540標記的腫瘤血管的3D重構2PF圖像；

（k）插圖（i）和（j）的疊加圖像。

圖四、NIR-I和NIR-II激發下，BTPETQ點對深層腫瘤成像的對比分析
（a）NIR-II和NIR-1激發下，在不同深度標記腫瘤血管的BTPETQ點的2PF圖像；

（b-c）NIR-II（b）和NIR-1（c）激發下，相同腫瘤的腫瘤血管系統網絡的3D重構2PF圖像；

（d）插圖（a）中深度為50、200和300 μm的圖像的歸一化線強度分布；

（e）NIR-II和NIR-1激發下，不同深度的腫瘤血管系統的2PF圖像的SBR；

（f）在注射BTPETQ點后不同時間點的3D腫瘤2PF圖像；

（g）注射BTPETQ點24 h后，由LuminiCell Tracker 540標記的腫瘤血管的2PF圖像；

（h-i）NIR-1（h）和NIR-II（i）激發下，在腫瘤中累積的BTPETQ點的3D 2PF圖像。

【小結】

綜上所述，作者設計并合成了具有NIR-I發射的高效AIE發光團（BTPETQ），并且其在NIR-II區激光激發下實現了小鼠腦和腫瘤血管的活體雙光子熒光成像。合成的BTPETQ點具有良好的水分散性、高光穩定性和生物相容性，在600-1000 nm的明亮NIR-I區發射和19±1％的高量子產率。高雙光子亮度使得BTPETQ點標記的小鼠腦血管網絡的可視化在NIR-II激發下具有924 μm的超大深度。在小鼠腫瘤模型中，BTPETQ點染色的腫瘤血管顯示出增強且獨特的雙光子熒光，有助于區分腫瘤血管與正常血管。在NIR-II激發下證實了具有大深度和高信噪比的深部腫瘤血管網絡的無創和實時活體成像。此外，通過NIR-II激發的雙光子成像監測靜脈內注射后腫瘤中BTPETQ點的外滲和累積，其3D圖像清楚地顯示了超過900 μm深度的腫瘤組織中熒光染料的的分布。總之，該工作突出了NIR AIEgens在NIR-II光激發下進行有效的活體深部腫瘤成像能力。

文獻鏈接：NIR-II-Excited Intravital Two-Photon Microscopy Distinguishes Deep Cerebral and Tumor Vasculatures with an Ultrabright NIR-I AIE Luminogen.（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904447）

通訊作者簡介

劉斌，新加坡國立大學教授，新加坡國立大學副校長（主管科研），化學與生物分子工程系系主任，新加坡工程院院士，亞太材料科學院院士，英國皇家化學會會士。 ACS Materials Letters執行主編, 同時擔任Advanced Materials and Advanced Functional Materials 等多個雜志的編委。致力于共軛聚合物發光材料、聚集誘導發光材料等在生物醫學及能源中的應用研究，其成果多次發表在國際一流期刊，h-因子為 82 （Google Scholar），連續多年榮獲科睿唯安“高被引科學家”稱號。其多項研究成果實現產業化并創立了 LuminiCell 公司。個人主頁：http://www.chbe.nus.edu.sg/faculty/cheliub。課題組主頁：http://cheed.nus.edu.sg/stf/cheliub/。可關注 Wiley 對劉斌教授的人物訪談：與光打交道的科學家——新加坡國立大學劉斌教授訪談：

http://www.materialsviewschina.com/2019/03/33902/

劉杰，南京工業大學教授。2005年于蘭州大學獲學士學位，2010年于華南理工大學獲博士學位。隨后赴新加坡國立大學劉斌教授課題組進行博士后研究工作。2018年4月正式加入南京工業大學先進材料研究院（IAM）。已在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Biomaterials, Small, Chem. Commun.等期刊發表論文50余篇。目前主要從事近紅外二區熒光探針的開發及其在腫瘤和神經退行性疾病中的應用。

劉斌團隊近期在雙光子成像領域的成果：

Wang, S.; Hu, F.; Pan, Y.; Ng, L. G.; Liu, B.*, Bright AIEgen–Protein Hybrid Nanocomposite for Deep and High Resolution In Vivo Two-Photon Brain Imaging. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902717.

Wang, S.#; Wu, W.#; Manghnani, P.; Xu, S.; Wang, Y.; Goh, C. C.; Ng, L. G.; Liu, B.*, Polymerization Enhanced Two-Photon Photosensitization for Precise Photodynamic Therapy. ACS nano 2019, 13, 3095–3105.

Wang, S.; Liu, J.; Feng, G.; Ng, L. G.; Liu, B.*, NIR‐II Excitable Conjugated Polymer Dots with Bright NIRI Emission for Deep In Vivo Two-Photon Brain Imaging Through Intact Skull. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808365. (Cover Feature)

Zhen, S.#; Wang, S.#; Li, S.; Luo, W.; Gao, M.; Ng, L. G.; Goh, C. C.; Qin, A.; Zhao, Z.*; Liu, B.*; Tang, B. Z.*, Efficient Red/Near-Infrared Fluorophores Based on Benzo [1,2-b:4,5-b'] dithiophene 1,1,5,5-Tetraoxide for Targeted Photodynamic Therapy and In Vivo Two-Photon Fluorescence Bioimaging. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706945. (Cover Feature)

本文由CQR編譯。

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