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  《自然－生物技術》(《Nature Biotechnology》)10月16日在線發(fā)表了新加坡南洋理工大學浦侃裔教授課題組的最新研究成果《強發(fā)光、可降解的高分子納米材料用于分子余輝成像》(Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles)。該成果首次發(fā)現(xiàn)了基于水溶性有機半導體高分子納米材料的長余輝現(xiàn)象，并將該材料應用于活體分子成像，該研究小組稱之為“分子余輝成像”。基于該材料的成像具有高達4 cm的組織穿透能力，活體動物成像信噪比高于傳統(tǒng)的近紅外熒光成像一百多倍。該研究成果開拓了分子成像研究領域的新視野，為分子成像領域用于臨床診斷，藥物篩選等提供了新途徑新方法。

  傳統(tǒng)的熒光成像技術由于需要實時光激發(fā)，從而會導致很強的組織自發(fā)熒光(autofluorescence)進而降低了活體成像的靈敏度和特異性。因此，包括生物發(fā)光(bioluminescence)和切倫科夫發(fā)光(Cerenkov luminescence)在內(nèi)的成像技術由于具有不需要實時光激發(fā)的特點從而吸引了廣泛的研究興趣。然而，生物發(fā)光需要酶、底物等因素的作用下才能發(fā)光，這會導致信號強度受到來自酶的微環(huán)境以及底物在生物體內(nèi)分布的影響。切倫科夫發(fā)光依賴于放射性同位素衰變產(chǎn)生的帶電粒子的超速運動，這個過程不僅會產(chǎn)生有害的電離輻射，而且發(fā)出的信號基本都是短波長的藍色輝光，從而限制了其成像的組織穿透能力。

  余輝發(fā)光(afterglow luminescence)是材料在光激發(fā)結(jié)束后的內(nèi)在持續(xù)發(fā)光過程，其通常是由材料經(jīng)過光熱激活后，光子從能量陷阱中緩慢釋放所產(chǎn)生。雖然余輝發(fā)光成像技術由于無需實時光激發(fā)的優(yōu)勢在活體成像中具有巨大的應用前景，但是目前僅有少數(shù)幾種基于稀土元素的無機納米材料具有這種余輝發(fā)光的性能。同時，由于無機納米材料表面不易修飾導致了其缺乏靶向能力；并且其發(fā)光亮度低，半衰期短，尤其是其自身的重金屬毒性等問題，限制了該材料進一步的生物應用。

  因此，為了解決上述問題，南洋理工大學的浦侃裔(Kanyi Pu)教授團隊開發(fā)了一種具有余輝發(fā)光的半導體高分子納米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)并將其應用于分子余輝成像。該納米材料全部由有機分子構(gòu)成并且具有生物可降解的特性，從而克服了上述無機納米材料的生物毒性問題。此外，相比于上述無機納米材料，該納米材料具有更長的發(fā)射波長(780 nm)和余輝發(fā)光半衰期（6分鐘）, 并且發(fā)光亮度高出100多倍。由于其具有近紅外波長發(fā)射，高余輝發(fā)光強度和無需實時光激發(fā)的特點，其光學信號可以穿透整只小鼠身體，并且在小鼠活體淋巴結(jié)和腫瘤成像中，其余輝發(fā)光的成像信噪比(signal to background ratio, SBR)比傳統(tǒng)的近紅外熒光高出127倍。此外，通過對SPNs的表面進行修飾，還可以開發(fā)出一種生物硫醇激活的智能余輝成像探針，并將其用于藥物誘導肝毒性的早期檢測。綜上，該納米材料具有余輝發(fā)光波長長，強度高，半衰期長等優(yōu)勢，使其在組織穿透性和成像分辨率等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的近紅外熒光成像，在生物成像領域具有廣闊的應用前景。

淋巴結(jié)和腫瘤的余輝成像

圖1，活體淋巴結(jié)(a,b,c)和腫瘤成像(d,e,f)。SPN-NCBS5材料使用808 nm激光照射1分鐘 (激光強度1 W/cm2)后，-20 oC保存1天（保存余輝發(fā)光），使用前無需再光照樣品，直接通過小鼠手掌注射后，30分鐘后即可在淋巴結(jié)觀察到余輝信號。在注射65分鐘后原位照射再激活SPN-NCBS5，此時余輝發(fā)光成像的信噪比可達到近紅外熒光成像的127倍。腫瘤成像也表明SPN-NCBS5的余輝成像具有比傳統(tǒng)近紅外熒光成像更高的信噪比和分辨率。

余輝成像用于肝毒性檢測

圖2，余輝成像用于藥物誘導肝毒性檢測。將SPNs表面進行修飾淬滅基團后，使其余輝發(fā)光淬滅，只有在生物硫醇(Cys, Hcy, GSH)存在條件下（切斷淬滅基團）余輝發(fā)光才會開啟。憑借此特性，該智能余輝探針可用于藥物誘導肝毒性的早期檢測。

  論文的唯一通訊作者浦侃裔教授表示：“我們開創(chuàng)了基于半導體高分子納米材料的分子余輝成像，未來我們會繼續(xù)探索其在疾病發(fā)生與治療等方面的生物應用。” 

圖3，浦侃裔教授研究團隊

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nbt.3987

  浦侃裔教授實驗室主頁鏈接：http://www.ntu.edu.sg/home/kypu/

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