唐本忠院士/羅亮教授《AM》：穿透3釐米！AIE近紅外化學發光材料用於深部組織成像

2020-09-27 高分子科學前沿

背景介紹：

螢光成像由於具有高靈敏性和解析度的優點被廣泛應用於生物組織實時成像，然而其組織穿透深度受到激發光穿透深度有限的限制和生物組織背景螢光的幹擾。由於無需外源激發光照射，化學發光材料在深度組織穿透成像領域具有潛在的優勢。Luminol作為常用的化學發光團被廣泛應用於分析檢測領域，但是其藍色化學發光的組織穿透能力差，因此開發近紅外化學發光材料在深度組織成像領域具有重要意義。

化學發光通常來源於化學反應的產物或者通過能量轉移至螢光染料受體，因此提高化學反應產物或螢光受體的螢光量子產率可以有效提升化學發光量子產率。傳統螢光染料聚集時由於分子間強烈的p-p作用往往會導致螢光猝滅，而具有聚集誘導發光（aggregation-induced emission, AIE）效應的螢光材料在聚集時會發出強烈螢光，被廣泛應用於生物組織成像領域。

工作內容：

近期，香港科技大學唐本忠院士團隊與華中科技大學羅亮教授團隊合作開發了具有聚集誘導發光（AIE）效應的近紅外化學發光材料TBL（圖1），其近紅外化學發光可以穿透3釐米厚度的生物組織，並且能夠區分腫瘤組織和正常組織，在深部生物組織成像、原位癌症診斷和手術治療領域都體現出良好的潛在應用前景。

圖1、(A) TBL化學發光機理, (B) TBL納米顆粒製備示意圖。

化合物TBL溶解在DMSO中基本不發光，加入不良溶劑水後聚集發出強烈螢光，表現出典型的聚集誘導發光（AIE）效應（圖2 A-B）。由於TBL在水中聚集時會析出沉降影響測試穩定性，因此利用表面活性劑F127包裹TBL製備得到了穩定的TBL納米顆粒（圖1B、2C），化學發光光譜與螢光光譜一致也表明化學發光可能來源於TBL氧化產物（圖2D）。不同活性氧 (reactiveoxygen species, ROS) 氧化測試對比表明次氯酸根或單線態氧可以極大提高TBL納米顆粒的化學發光強度（圖2E），並且TBL納米顆粒可用於對單線態氧的定量檢測（圖2F），表明TBL納米顆粒在ROS的分析檢測和生物體內成像領域具有潛在的應用前景。

圖2、(A-B) TBL在H2O/DMSO溶液中的螢光光譜, (C) TBL納米顆粒穩定性測試, (D) TBL納米顆粒的螢光和化學發光光譜, (E) 不同ROS氧化條件下近紅外化學發光強度對比, (D) 定量檢測單線態氧。

圖3、(A) 近紅外化學發光組織深度成像和螢光成像, (B) 單線態氧濃度逐漸增加時近紅外化學發光圖, (C) 魯米諾和TBL納米顆粒化學發光成像對比。

近紅外化學發光組織穿透深度測試表明可以有效穿透3cm厚度培根組織，而螢光很難穿透3mm厚度培根組織（圖3A），並且化學發光強度與單線態氧濃度成正比（圖3B）, 與Luminol藍色化學發光對比表明近紅外化學發光可以更有效的穿透生物組織（圖3C）。

此外，研究者將近紅外化學發光拓展至生物體內活性氧的檢測及成像。外源性單線態氧檢測實驗表明近紅外化學發光時長超過1小時並且具有很高的信噪比（圖4A-B）。生物體內大量累積的ROS會對蛋白質及DNA造成損傷，嚴重時會引發癌症。TBL納米顆粒可以有效檢測出腫瘤組織區域高濃度的ROS，體現出在腫瘤診斷和化學發光引導的手術治療領域的良好潛在應用前景（圖4C-D）。

圖4、(A-B) 小鼠體內近紅外化學發光成像, (C-D) TBL納米顆粒區分正常組織和腫瘤組織成像, (E) 注射TBL納米顆粒後小鼠體重變化。

該文章近期發表在Advanced Materials上，文章的第一作者為香港科技大學博士生劉晨晨和華中科技大學博士生王修霞，通訊作者為華中科技大學羅亮教授和香港科技大學唐本忠院士。該工作受到國家自然科學基金 (21788102), RGC(N_HKUT609/19 and C6009‐17G), ITC (ITC‐CNERC14SC01and ITCPD/17‐9), Ming Wai Lau Centre for ReparativeMedicine, Karolinska Institute (MWLC19SC02) 和國家重點研發計劃(2018YFA0208903) 等項目支持。

參考文獻：

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.

來源：高分子科學前沿

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