[好文章,你推荐!]生物医学成像的福音

武汉大学化学与分子科学学院冯亮推荐的文章:

文章题目:A Nanoparticle Catalyst for Heterogeneous Phase Para-Hydrogen-Induced Polarization in Water

发表杂志:Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2452 –2456

DOI: 10.1002/anie.201409027

URL:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie. 201409027/abstract

一、背景介绍

我是一名来自武汉大学化学基地班的大三本科生,参与科学研究近两年。传统的基础课程教育与当今的科研环境存在一定程度上的脱节,在本科课程学习之余,提早进入科研环境对提升自己的科研素养非常重要,而广泛阅读文献则是其中最重要的环节之一。文献可以给我们带来学科前沿中的新想法和新创意,从而进一步激发自身的创造力,可谓是“创新动力,源源不绝”。

笔者对核磁共振领域有着较强兴趣,发现Wiley 旗下的Angewandte Chemie上有许多关于仲氢诱导极化的文章,内容新颖,思想超前,很有启发意义。其中Louis Bouchard教授的一篇关于水中异相仲氢诱导极化的文章对我影响很大。由于我之前在多孔材料领域做了一些工作,这篇文章促使我开始探索一个新的领域–将多孔材料应用于核磁共振NMR的仲氢诱导极化PHIP应用上,使得仲氢诱导极化将来能够以高灵敏度应用于生物医学成像。

二、文章概要

美国加州大学洛杉矶分校的Louis Bouchard教授课题组发表的题为A Nanoparticle Catalyst for Heterogeneous Phase Para-Hydrogen-Induced Polarization in Water 的文章,首次将仲氢诱导极化应用于异相催化体系,这一举措解决了传统均相催化体系不能应用于生物医学成像领域的弊端,阐明了该体系在生物相容的水体系中的应用前景。

首先,作者阐述了核磁共振NMR领域技术的发展情况。NMR在化学和生物医学领域上应用广阔,但是其低灵敏度极大地限制了其应用前景。仲氢诱导极化PHIP是解决NMR灵敏度问题一个非常有效的方法。传统的方法是使用一种均相的贵金属络合物催化剂进行PHIP实验,如Science报道的文章Reversible Interactions with para-Hydrogen Enhance NMR Sensitivity by Polarization Transfer使用的Ir络合物催化剂,可以将NMR信号强度提高800倍;之后Journal of the American Chemical Society报道的一种Ir氮杂环卡宾类催化剂可以将NMR信号强度提高8100倍,效果非常的好。然而若将这些均相催化剂用于生物医学成像,注入生物体后将会对生物体有致命的伤害。

Louis Bouchard教授课题组设计的这种纳米异相催化剂可以通过简单的手段,如离心或过滤,实现与NMR信号增强的活性物质发生分离,不会进入人体发生毒害;尽管催化效果不尽如人意,但是这种异相催化剂可以实现多次催化,反复使用,也是相对于传统贵金属络合物催化剂的应用优势之一。

下图展示了这种纳米异相催化剂的构建过程—将二肽GSH与H2PtCl6混合后使用硼氢化钠还原,得到的二肽GSH包覆的纳米粒子,平均大小在2.0nm左右,如图1。

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图1 纳米异相催化剂的构建与平均大小

紧接着,作者讨论了加入GSH的必要性,如图2所示。图2(a)表示的是Pt纳米与仲氢作用的情况示意图,相比于图2(b),其缺少GSH包覆所具有的位阻作用,因此仲氢易丧失活性分离,达不到催化的效果。图2(a)和(b)表示加入GSH二肽修饰Pt表面的重要性。图2(c)展示的是该异相催化剂的催化过程,发生加氢反应后的产物即为用于生物医学成像的活性物质。

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图2 纳米催化剂催化过程

(灰色为Pt纳米粒子;蓝色螺旋为二肽GSH;红色小球为仲氢;蓝色小球为普通的H原子)

之后文章讨论了纳米粒子浓度和温度对极化的影响,进一步优化这一催化过程,如图3.

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图3 纳米粒子浓度和温度对极化的影响

结果显示,该体系可以提高NMR信号强度16倍,催化剂可以重复使用至少5次,对该体系的优化和探索仍需要进一步地探索。

三、推荐理由

这篇文章最突出的特点是其工作的创新性—首次发展了异相体系用于生物医学成像,其创新性思维弥补这一应用领域的空白。这篇文章对我将来继续开展科学研究有着很大的帮助,可以说是为我指明了一个感兴趣的研究方向。

其次,该文章层次清晰,逻辑性强,整篇读下来非常容易理解,没有传统的核磁共振领域文章中出现复杂的理论公式,对于化学专业的学生来说可读性强。作为化学专业的本科生,可能数理知识较为薄弱,自己常常对于核磁共振的文章中大量的公式推导演算掌握得不够好,信心不足,但这并不妨碍作为一个实验化学人的科研心。

第三,跨学科性强,综合了物理,化学以及生物医学等诸多领域的背景与应用,对我们的扩宽视野以及跨学科思维训练有着很大的帮助,我觉得这种跨学科的训练非常重要,有句话说得好:Minds are like parachutes. They only function when they are open.