來源 | 復旦大學新聞網 編輯 | 化學加
導讀
8月6日，《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）期刊在線發表了復旦大學化學系教授張凡團隊的科研成果，為以上難題的攻克提供了全新的思路與可能。這篇以《螢光壽命工程化的近紅外第二窗口納米顆粒解鎖活體多重成像》（「Lifetime engineered NIR-II nanoparticles
unlock multiplexed in vivo imaging」）為題的論文，提出將近紅外螢光壽命成像技術運用於活體多重檢測當中，有望成為一種全新的腫瘤精準診斷方法。這也是復旦大學通過交叉學科研究取得的又一重大成果。於此同時《自然·納米技術》發表了「views and news」，對該工作進行了專題新聞報導和評述。復旦大學化學系博士後凡勇為第一作者。
目前，對組織進行切片仍為臨床醫學中診斷腫瘤的主要方法。然而在這一診斷方法的背後，卻隱藏著諸多風險與隱患。切片診斷技術不得不依賴於肉眼對腫瘤的性質、大小與階段作出判斷，診斷結果的精確度仍不能完全保證。同時，傳統的切片活檢過程也難以避免腫瘤細胞轉移的風險。那麼，未來是否能開發一種全新的技術，無需通過手術切片操作，就可以無創地實現腫瘤精準診斷？
技術進步：螢光成像逐步應用於活體多重成像研究
螢光是自然界中常見的一種發光現象，可以通過螢光探針介質來對生物體組織進行成像檢測。螢光成像不僅具備了實時性和高空間解析度等特點，同時還能通過多個不同波長的螢光信號，以實現多個待測物的同時多通道檢測。螢光成像所具備的一系列優勢，使其在生命科學、藥學和醫療診斷等領域都有著非常廣泛的應用前景。
在過去的工作中，研究者們主要致力於在可見光區（400 nm-750 nm）和近紅外第一窗口（700 nm-900 nm）內進行螢光成像。但由於生物體內不同的組織（如皮膚、脂肪、骨骼等）對激發光和發射光均具有不同的散射和吸收作用，使得在這兩個區間內的光學穿透深度和成像解析度都比較低。這種現象就好比是在夜晚拿著照相機拍照，不僅難以拍清較遠的物體，照片成像中的噪點也會格外明晰。
最近，研究者們發現，在近紅外第二窗口區（NIR-II，波長1000 nm-1700nm）內，生物組織對激發光和螢光信號的散射和吸收作用極低。光在穿透皮膚、脂肪等生物組織時的「折損率」就極大地下降了。換句話說，相比起可見光區和近紅外第一窗口，螢光信號在近紅外第二窗口區域內可以更好地實現對生物體的深組織成像。同時，生物組織在近紅外第二窗口區域內的自發螢光效應也較低，使生物組織內的待檢測螢光信號較少受到來自生物組織本身的自發螢光的幹擾。消除了生物組織自身的幹擾因素後，成像「照片」中的「噪點」也就得到了顯著減少。正是在這兩大優勢的助力下，近紅外第二窗口區域內的螢光成像在生物組織多重檢測中有著較好的表現與巨大的發展前景。
然而，這一成像技術在實際的活體多重成像應用中的效果卻往往不盡如人意。由於生命活體中各類生物組織在不同的光波段裡，具有截然不同的散射和吸收「能力」，所獲得的螢光信號會隨著不同深度的組織而變化，無法有效地利用多個波長來對活體中不同的分析物進行同時定量檢出，無法實現活體中基於多光譜信號的多重檢測。
難道就沒有別的辦法了嗎？帶著質疑和不斷的嘗試，張凡團隊為這一難題交出了具有突破性的答卷。
研究突破：利用近紅外螢光壽命為優化腫瘤診斷提供全新可能
針對以上難題，張凡團隊提出了「基於時間維度的多重成像法」，利用在近紅外第二窗口區具有螢光發射的稀土納米探針螢光壽命信號來實現活體多重成像。
當螢光探針被一束近紅外雷射激發後，該探針吸收能量從基態躍遷至激發態，偏離原有的「運動軌道」，再以輻射躍遷的形式發出螢光並回到基態，回歸到原有的「運動軌道」上。當去除激發光後，探針螢光強度降低到激發時螢光最大強度的1/e時所需要的時間即為螢光壽命。團隊在實驗中發現，螢光壽命的數值具有較好的穩定性，並不會因為生物組織深度的改變而隨之改變。
圖1：（a）不同螢光壽命的稀土納米探針在離心管中的螢光壽命的偽色彩圖。（b）編碼小球中稀土納米探針Er發射通道和Ho發射通道的螢光壽命和螢光強度隨著不同厚度生物組織的變化。
有了螢光壽命這一定量後，張凡團隊選擇了毒性更低、扛光漂白能力更強的稀土納米顆粒進行實驗。實驗之初，納米顆粒的合成對項目的進展起到了不小阻礙。面對每次都不盡相同的合成結果，團隊最終決定放棄已有的數據成果，全部推倒重新來過。在持續了大半年的努力下，團隊經過對反應時間、反應溫度、實驗裝置和原料等細節的精密調控，終於克服了納米顆粒合成的技術問題。
利用能量延遲供給以及對發光離子的濃度進行分別調控的方法，團隊實現了在單一波長下對螢光壽命進行三個量級以上的精確調節。最終，成功將這一新型成像技術應用於乳腺癌腫瘤的精準診斷，其對多個腫瘤標誌物的定量檢測結果與臨床醫學傳統的檢測技術獲得的結果具有高度一致性。
圖2：（a）小鼠實驗的過程示意圖。（b）對MCF-7和BT-474乳腺癌腫瘤不同標誌物的定量檢測。
相較於傳統臨床診斷技術一次只能對一種腫瘤標誌物進行檢測的限制，張凡團隊提出的時間維度成像方法可以同時定量多個腫瘤標誌物，顯著提高了檢測的效率。同時，時間維度成像法還以「拍照」的形式取代了原本的活檢手術，不僅可以直接避免腫瘤細胞轉移的風險，同時降低了傳統方法在組織切片、處理和評分過程中可能造成的人為誤判風險，有望成為一種新型的無創腫瘤診斷方法。
目前，該研究仍停留在實驗室階段，還需進一步向臨床試驗推進。螢光壽命納米探針進入人體後在各個臟器中的分布以及代謝程度如何，仍然有待後續研究做出進一步的考察與分析。但是這一科研成果所點亮的諸多可能，都將為分析化學、材料科學、生物光子學、生命科學、生物醫學工程和醫療診斷等領域拓寬研究視野與前行的方向。
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