唐本忠院士/罗亮教授《AM》:穿透3厘米!AIE近红外化学发光材料用于深部组织成像

荧光成像由于具有高灵敏性和分辨率的优点被广泛应用于生物组织实时成像,然而其组织穿透深度受到激发光穿透深度有限的限制和生物组织背景荧光的干扰。由于无需外源激发光照射,化学发光材料在深度组织穿透成像领域具有潜在的优势。Luminol作为常用的化学发光团被广泛应用于分析检测领域,但是其蓝色化学发光的组织穿透能力差,因此开发近红外化学发光材料在深度组织成像领域具有重要意义。

化学发光通常来源于化学反应的产物或者通过能量转移至荧光染料受体,因此提高化学反应产物或荧光受体的荧光量子产率可以有效提升化学发光量子产率。传统荧光染料聚集时由于分子间强烈的pp作用往往会导致荧光猝灭,而具有聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)效应的荧光材料在聚集时会发出强烈荧光,被广泛应用于生物组织成像领域。

工作内容:

近期,香港科技大学唐本忠院士团队华中科技大学罗亮教授团队合作开发了具有聚集诱导发光(AIE)效应的近红外化学发光材料TBL(图1),其近红外化学发光可以穿透3厘米厚度的生物组织,并且能够区分肿瘤组织和正常组织,在深部生物组织成像、原位癌症诊断和手术治疗领域都体现出良好的潜在应用前景。

唐本忠院士/罗亮教授《AM》:穿透3厘米!AIE近红外化学发光材料用于深部组织成像

图1、(A) TBL化学发光机理,  (B) TBL纳米颗粒制备示意图。

化合物TBL溶解在DMSO中基本不发光,加入不良溶剂水后聚集发出强烈荧光,表现出典型的聚集诱导发光(AIE)效应(图2 A-B)。由于TBL在水中聚集时会析出沉降影响测试稳定性,因此利用表面活性剂F127包裹TBL制备得到了稳定的TBL纳米颗粒(图1B、2C),化学发光光谱与荧光光谱一致也表明化学发光可能来源于TBL氧化产物(图2D)。不同活性氧 (reactiveoxygen species, ROS) 氧化测试对比表明次氯酸根或单线态氧可以极大提高TBL纳米颗粒的化学发光强度(图2E),并且TBL纳米颗粒可用于对单线态氧的定量检测(图2F),表明TBL纳米颗粒在ROS的分析检测和生物体内成像领域具有潜在的应用前景。

唐本忠院士/罗亮教授《AM》:穿透3厘米!AIE近红外化学发光材料用于深部组织成像

图2、(A-B) TBL在H2O/DMSO溶液中的荧光光谱, (C) TBL纳米颗粒稳定性测试, (D) TBL纳米颗粒的荧光和化学发光光谱, (E) 不同ROS氧化条件下近红外化学发光强度对比,  (D) 定量检测单线态氧。

唐本忠院士/罗亮教授《AM》:穿透3厘米!AIE近红外化学发光材料用于深部组织成像

图3、(A) 近红外化学发光组织深度成像和荧光成像, (B) 单线态氧浓度逐渐增加时近红外化学发光图, (C) 鲁米诺和TBL纳米颗粒化学发光成像对比。

近红外化学发光组织穿透深度测试表明可以有效穿透3cm厚度培根组织,而荧光很难穿透3mm厚度培根组织(图3A),并且化学发光强度与单线态氧浓度成正比(图3B), 与Luminol蓝色化学发光对比表明近红外化学发光可以更有效的穿透生物组织(图3C)。

此外,研究者将近红外化学发光拓展至生物体内活性氧的检测及成像。外源性单线态氧检测实验表明近红外化学发光时长超过1小时并且具有很高的信噪比(图4A-B)。生物体内大量累积的ROS会对蛋白质及DNA造成损伤,严重时会引发癌症。TBL纳米颗粒可以有效检测出肿瘤组织区域高浓度的ROS,体现出在肿瘤诊断和化学发光引导的手术治疗领域的良好潜在应用前景(图4C-D)。

唐本忠院士/罗亮教授《AM》:穿透3厘米!AIE近红外化学发光材料用于深部组织成像

图4、(A-B) 小鼠体内近红外化学发光成像, (C-D) TBL纳米颗粒区分正常组织和肿瘤组织成像, (E) 注射TBL纳米颗粒后小鼠体重变化。

该文章近期发表在Advanced Materials上,文章的第一作者为香港科技大学博士生刘晨晨和华中科技大学博士生王修霞,通讯作者为华中科技大学罗亮教授和香港科技大学唐本忠院士。该工作受到国家自然科学基金 (21788102), RGC(N_HKUT609/19 and C6009‐17G), ITC (ITC‐CNERC14SC01and ITCPD/17‐9), Ming Wai Lau Centre for ReparativeMedicine, Karolinska Institute (MWLC19SC02) 和国家重点研发计划(2018YFA0208903) 等项目支持。

参考文献:

Chenchen Liu, Xiuxia Wang, JunkaiLiu, Qiang Yue, Sijie Chen, Jacky W. Y. Lam, Liang Luo, Ben Zhong Tang. Near‐Infrared AIE Dots with Chemiluminescence for Deep‐Tissue Imaging. Adv.Mater. 2020, 2004685.

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