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    唐本忠院士和錢駿教授:AIE材料用于大體積動物的長波長NIR-II大深度高分辨率活體成像
    2020-06-16  來源:高分子科技

      熒光成像是一種非常重要而且具有臨床轉化前景的成像模式。與傳統可見光(400-700 nm)和近紅外一區(NIR-I,700-900 nm)相比,近紅外二區波段(NIR-II,1000-1700 nm)在生物組織中的散射更小,穿透能力更強,因此有利于提高成像的深度和深層組織的空間分辨率。近年來,研究者們開展了一系列的基于NIR-II熒光成像方面的研究,實現了對活體深層和功能性成像。然而,NIR-II熒光成像的研究主要集中在小體積動物上(如小鼠,體重一般約20 g),在更大體積動物模型中的應用仍然很少(如大鼠,體重約200 g,是小鼠體積的10倍)。大體積動物的研究對NIR-II熒光成像的臨床轉化具有非常重要的意義,但是該方面的研究非常有限,主要由于缺乏高亮度和高穩定性的探針材料,大動物更深的組織和更強的散射也增加了成像的難度。


    圖1. AIE材料用于長波長NIR-II的大體積動物活體熒光成像


      最近,香港科技大學唐本忠院士和浙江大學錢駿教授最近報道了高亮度和高穩定的NIR-II AIE材料首次實現大體積動物的活體功能成像,包括大鼠活體腦部血管大深度顯微成像,可視化的腦卒中成像和主要器官(胃腸道和膀胱)顯影等(圖1)。在該研究工作中,作者設計并合成了一種NIR-II發光的AIE分子BPN-BBT(圖2),該分子的結構簡單,其分子量只有780,有利于大規模生產。分子的核心部分是一個平面的共軛結構,因此具有很高的摩爾消光系數(3.02 × 104 L mol-1 cm-1);同時可以自由運動的苯環和萘環取代基賦予了典型的聚集誘導發光(AIE)特性,使組裝成的納米顆粒具有很高的熒光量子產率(5.7%)。通過FDA認證安全無毒的雙極性分子(Pluronic F-127)對BPN-BBT進行修飾包覆,獲得了具有優異生物相容性和穩定性的AIE納米顆粒,適合活體成像應用。


    圖2. 具有強吸收和高亮度的NIR-II AIE分子及其組裝成高穩定的納米顆粒


      由于AIE納米顆粒具有很寬的發射光譜范圍,作者首先研究了不同波段(900, 1000, 1100, 1200 nm以上)的熒光特性(圖3)。雖然熒光量子產率隨著波段的紅移而降低,腦部血管成像的空間分辨率和信噪比卻隨著波段范圍的紅移而明顯提高,即利用1200 nm以上的部分發光可以實現最好的成像效果。這主要是由于生物組織的散射隨著波長的紅移而迅速降低造成的。作者進一步研究了大鼠腦血管的長波長NIR-II(>1200 nm)熒光成像(圖4)。尾靜脈注射AIE納米顆粒至大鼠體內后在793 nm光激發下,利用NIR-II熒光顯微成像系統獲得了高對比度的大鼠腦血管NIR-II熒光成像,在700 μm深度仍然可以清晰地觀測到直徑約為9.1 μm的毛細血管,是目前大鼠腦部血管造影的最佳結果。


    圖3. 不同波段范圍的大鼠腦部血管成像結果對比


    圖4.大鼠腦部不同深度與大視野腦血管的活體長波長NIR-II熒光顯微成像


      作者進一步建立了大鼠的腦卒中模型,即在大鼠頸動脈內放入線栓,造成頸部動脈內膜的損傷,進而使該區域血液流動發生變化,激活凝血系統促進血小板的凝集而阻塞血管形成血栓。作者利用NIR-II熒光顯微成像實時觀測了大鼠腦卒中的形成過程,并對血栓形成前后的同一個腦血管區域進行NIR-II熒光成像并進行對比,可以明顯地看到血栓的部位(圖5)。該結果說明NIR-II AIE材料可以有效地監測大動物腦部疾病的早期形成和發展過程。


    圖5. 實時監測大鼠腦部血栓形成前后的血管結構變化


      另外,得益于AIE納米顆粒非常好的穩定性,作者利用NIR-II熒光成像技術在大鼠動物模型中模擬了臨床胃腸道造影(圖6)。將AIE納米顆粒灌注至大鼠胃后,可以非侵入地在大鼠胃部探測到很強的NIR-II熒光信號。隨著時間推移,NIR-II熒光信號慢慢“移動”至小腸及大腸,并逐漸消失。進一步對大鼠的糞便進行研究表明,灌注到胃內的AIE納米顆粒可經胃腸道隨糞便排出體外,該研究為胃腸道造影提供了新的思路。作者還進一步用該AIE納米顆粒作為NIR-II熒光探針,對逆行膀胱灌注后的大鼠膀胱進行實時觀測,獲得了高對比度、高信噪比的膀胱造影。該項研究工作對探索NIR-II材料和技術在大動物的應用以及推動臨床轉化方面具有一定的指導意義。


    圖6. 大鼠胃腸道的實時NIR-II 熒光成像


      以上成果以“Highly stable and bright AIE dots for NIR-II deciphering of living rats”為題發表在Nano Today上。論文第一作者為香港科技大學齊跡博士和浙江大學努爾尼沙·阿力甫博士,通訊作者為香港科技大學唐本忠院士和浙江大學錢駿教授


      論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1748013220300621


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