南洋理工Angew：用于深層活體成像的長波長近紅外化學發光探針

大兵哥 3年前 (2020-11-05) 3962瀏覽

【研究背景】

基于化學發光（CL）的檢測技術由于能夠有效的避免激發光散射及背景熒光干擾，徹底改變了生物分子的體內成像能力。化學發光成像本質上具有很高的靈敏度，因此在疾病診斷和成像領域有重要的應用前景。然而目前大多數的化學發光探針只能發射可見光，其較低的穿透深度無法滿足活體成像。為了改善化學發光探針在生物標志物的體內檢測的缺陷，開發同時具有近紅外（NIR）發射和可激活探針構建的模塊化結構的化學發光團顯得尤為重要。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學浦侃裔副教授團隊分別通過將二氰基亞甲基-4H-苯并硫吡喃和二氰基亞甲基-4H-苯并硒吡喃與二氧金剛烷單元結合，制備了兩種化學發光探針，具有創紀錄的長近紅外發射（>750 nm）。將具有不同可分裂部分屏蔽化學發光團可產生近紅外化學發光探針（NCPS 和NCPSe），僅在活性氧或酶響應下被激活發出近紅外光，NCPS探針的組織穿透深度可達2 cm。特別是NCPSg可以觸發化學發光（760 nm），靈敏地檢測β-半乳糖苷酶（一種癌癥生物標志物），從而可以成像區分活體小鼠不同癌細胞中β-半乳糖苷酶的表達水平。該研究提供了一種適用于深層組織中多種生物標志物的體內開啟成像的近紅外化學發光分子支架。該文章近日以題為“Molecular Chemiluminescent Probes with a Record Long Near-infrared Turn-on Wavelength for In vivo Imaging”發表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed上，博士研究生黃景勝和姜語嫣為共同第一作者。

響應性深層活體成像的近紅外化學發光探針

【圖文導讀】

圖一、探針分子結構及能級

（a）三種不同化學發光探針的分子結構。

（b）三種不同化學發光探針的HOMO-LUMO能級。

（c）化學發光探針的合成過程。

圖二、光學性質及響應性

（a）三種化學發光探針在響應ONOO-后的化學發光光譜。

（b）三種化學發光探針的專一性檢測。

（c）三種化學發光探針在不同厚度雞胸脯組織下響應ONOO-的化學發光成像圖像。

（d）三種化學發光探針的信號背景比（SBR）率與組織深度的關系。

圖三、酶響應成像

（a）化學發光探針檢測β-gal的示意圖。

（b）加入β-gal前后化學發光探針的熒光光譜。

（c）在加入不同酶孵育后熒光或化學發光強度的變化。

（d）化學發光探針與β-gal共孵育后的HPLC分析。

圖四、細胞及活體成像

（a-b）探針用于Hela細胞和SKOV3細胞的近紅外化學發光或熒光成像及信號強度分析。

（c-d）注射化學發光探針后對不同荷瘤小鼠腫瘤部位近紅外化學發光成像及信號強度分析。

【結論展望】

綜上所述，本文制備了兩種新型長波長近紅外化學發光探針（DPD-S和DPD-Se），其最大發射波長分別為760 nm和780 nm。與760 nm的高亮度相結合，DPD-S探針的化學發光使組織穿透深度比其他兩種類似物更深入。將DPD-S作為分子化學發光探針（NCPS和NCPSg），分別檢測ONOO-和β-gal。此外，在細胞和腫瘤小鼠模型中驗證了NCPSg能夠靈敏地檢測到β-gal并在不同細胞中區分其表達水平。因此，該研究為開發近紅外化學發光材料提供了一種原子替代方法，可以作為生物標志物在體開啟光學成像的通用分子支架。

文獻鏈接：Molecular Chemiluminescent Probes with a Record Long Near-infrared Turn-on Wavelength for In vivo Imaging (Angew. Chem. Int. Ed, 2020, DOI: 10.1002/anie.202013531)

團隊簡介：

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160多篇，SCI H-index = 65。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, Small, Bioconjugate Chemistry, ACS Applied Bio Materials, Advanced Biosystems和ChemNanoMat等期刊編委。

課題組主頁：https://personal.ntu.edu.sg/kypu/index.html

近期代表性工作：

  1. Cheng Xu, Kanyi Pu. Second near-infrared photothermal materials for combinational nanotheranostics. Chemical Society Reviews, 2020, 49, accepted.
  2. Qianxi Dang, Yuyan Jiang, Jinfeng Wang, Jiaqiang Wang, Qunhua Zhang, Mingkang Zhang, Simeng Luo, Yujun Xie, Kanyi Pu, Qianqian Li, Zhen Li. Room-temperature phosphorescence resonance energy transfer for construction of near-infrared afterglow imaging agents. Advanced Materials, 2020, 32, DOI: 10.1002/adma.202006752.
  3. Xu Zhen, Kanyi Pu, Xiqun Jiang. Photoacoustic imaging and photothermal therapy of semiconducting polymer nanoparticles: signal amplification and second near-infrared construction. Small, 2020.
  4. Jingsheng Huang, Jiaguo Huang, Penghui Cheng, Yuyan Jiang, Kanyi Pu. Near-infrared chemiluminescent reporters for in vivo imaging of reactive oxygen and nitrogen species in kidneys. Advanced Functional Materials, 2020, 30, 2003628?.

本文由大兵哥供稿。

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