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南開大學丁丹教授團隊:近紅外長余輝發光有機高分子材料在腫瘤切除手術導航中的應用
2019-03-26  來源:聚集誘導發光AIE

  長余輝發光,是指材料在外源性光激發停止后的持續發光現象。長余輝發光具有無需實時激發、優異的信號/背景比以及與傳統熒光成像相比的更高的靈敏度等天然優勢,因此在生物醫學成像領域擁有巨大的應用潛力。然而,目前關于長余輝發光的相關研究,雖然已有包括生物體內實驗在內的報道,但是與熒光成像相比,其在更加深入的生物醫學領域的應用依然十分受限。這主要是由于長余輝發光材料和探針的種類本身有限。如今,近紅外熒光成像用于腫瘤切除手術導航已成功應用于臨床,它可以有效地幫助外科醫生更快、更準確地切除腫瘤。長余輝成像的優勢不勝枚舉,尤其是零組織背景熒光的特點,使其成為術中影像引導腫瘤切除的絕佳成像手段。而目前為止,對于長余輝成像引導的癌癥手術導航研究卻鮮有報道,并且高效的有機高分子長余輝發光探針亟待開發。

  迄今為止,除一些無機長余輝發光納米粒子(例如,基于稀土重金屬離子的相關材料)以外,關于有機和聚合物長余輝發光材料的報道還很少。Schaap金剛烷基-1,2-二氧環丁烷是一類經典的化學發光分子,但同時也可作為長余輝發光材料,用于細胞水平的特異性分析物響應檢測。然而傳統的Schaap二氧環丁烷在水相體系中會發生強烈的信號淬滅,嚴重限制了其在生物領域的應用。最近,Shabat 課題組通過多種化學修飾,極大提高了Schaap分子的發光效率以及發射波長,使得這類分子在生物醫學領域的應用變得更加可能。靜脈注射無疑是當前臨床上最重要的給藥方法之一。但目前為止,在動物模型實驗中采用靜脈注射方式研究Schaap探針生物活體應用的報道還非常之少。

  “聚集誘導發光”熒光分子(AIEgen)是一類新型的熒光材料,利用AIEgen和AIE納米材料進行熒光生物成像方面的研究層出不窮,但具備長余輝發光性質的AIEgen主要限于某些擁有室溫磷光特性的分子(壽命通常為毫秒或秒級),而將其應用于生物醫學領域還相當困難。

  最近,南開大學丁丹教授課題組首次設計并合成了一種具有AIE性質的近紅外長余輝發光納米點(AGL AIE dots;圖一)。

圖一:AGL AIE dots用于精確的腫瘤手術切除導航

  在單次外源光激發后,納米材料中AIEgen產生的單線態氧與前體分子作用得到Schaap二氧環丁烷,后經化學激發和能量轉移等過程,實現了PBS溶液中長達10天以上的自循環近紅外長余輝發光(圖二)。

圖二:AGL AIE dots的發光原理示意圖

  與近紅外熒光材料相比,AGL AIE dots具有更深的組織穿透能力,更高的信躁比,以及腫瘤對RES器官(肝脾組織)的超高長余輝光信號比,因此對于提高活體小鼠腫瘤切除手術的成像導航效果產生了極大的幫助(圖三)。

圖三:AGL AIE dots的長余輝光在肝脾等正常組織中快速淬滅,可用于精確的高信噪比的手術導航

  AGL AIE dots長余輝成像導航的腫瘤切除手術結果表明:探針可用于精確切除小鼠腹腔轉移瘤模型中的微小腫瘤。基于 Schaap分子的 AGL AIE dots具有獨特的優點:

  • (1)具有更高的發射強度和更長的余輝發光時間,在以往的文獻中尚未實現;

  • (2)單次激發后的近紅外長余輝發光可持續10天,時間超長;

  • (3)首次發現AIE性質對于提高Schaap分子的發光強度和持續時間起到了決定性作用,并且在正常組織(包括RES器官和腎臟)中,Schaap分子具有快速的信號淬滅特性。

  因此,相比大量已報道的腫瘤生物標志物響應型信號開啟探針,具備這一獨特性質的AGL AIE dots可能更加適合精確的腫瘤手術導航治療和腫瘤早期檢測。

  這一研究成果近期發表在《Nano Letters》(2019, 19(1), 318-330)上,南開大學藥物化學生物學國家重點實驗、生物活性材料教育部重點實驗室,以及生命科學學院的丁丹教授為通訊作者,學生倪翔張曉燕為共同第一作者。

  論文鏈接: https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03936

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(責任編輯:xu)
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