Advanced Functional Materials:染料敏化NIR-Ⅱb纳米探针用于癌症氧化还原状态的比率成像

荧光成像是临床应用中早期发现和诊断疾病的重要工具,也是基础生物医学研究和图像引导手术的重要成像方法。荧光成像使用无害的非电离辐射进行非侵入性实时反馈,具有时空分辨率高、实时监测、采集时间短、非侵入性和成本低的优点。其中,近红外二区(NIR-Ⅱ, 900-1700 nm)荧光成像由于组织对光的吸收及散射大大减少,其穿透深度可达到5-20 mm,另外,非常低的生物组织自发荧光也使近红外二区荧光成像具有显著提高的信噪比(SNR)。由于比率测量不受局部纳米探针浓度及独立于分析物的其他因素影响,采用近红外二区比率荧光成像的方法可实现对分析物更准确、更可靠的体内定量。

细胞中的氧化还原态是生物学和医学研究中必不可少的组成部分,在各种生理和病理过程中起关键作用。其中,谷胱甘肽(GSH)是最丰富的内源性抗氧化剂,在维持生物系统氧化还原状态的平衡过程中起着重要的作用。GSH在癌细胞中大大过量使其成为诊断癌症最重要的信号分子之一。然而传统的荧光探针由于无法适应复杂的生物体内环境而只能用于体内GSH定性成像。设计一种能够在体内精确定量及成像GSH的方法对于人类健康和疾病诊疗方面具有广泛的意义。

图 1. DCNP@NPh-PEG的合成及应用示意图

近日,福州大学宋继彬教授课题组开发了一种发射波长为1550 nm的NIR-Ⅱ区比率荧光纳米探针,用于体内原位结肠癌中GSH的精确定量检测和实时成像作者在具有核壳结构的下转换纳米粒子(DCNPs)表面修饰了4-硝基苯酚Cy7(NPh)及两亲分子二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(DSPE-PEG)。由于存在分子内光诱导电子转移(PET)过程,包覆在DCNPs表面的NPh分子没有荧光。在GSH存在下,NPh分子与GSH反应生成Cy7-SG,分子内PET过程消失,荧光恢复。在808 nm激光照射下,Cy7-SG吸收入射光的能量,并通过非辐射能量转移(NRET)过程将激发能量转移给DCNPs,从而实现对DCNPs的敏化,并最终在1550 nm处产生增强的NIR-Ⅱ区荧光信号(F1550, 808Ex)。另外,980 nm激光不能激发Cy7-SG分子,但可直接激发DCNPs,因此在1550 nm的NIR-Ⅱ区荧光信号(F1550, 980Ex)保持不变,产生比率荧光信号(F1550, 808Ex / F1550, 980Ex)。实验证明,F1550, 808Ex/F1550, 980Ex与GSH的浓度成线性关系。该工作建立了一种NIR-Ⅱ区比率荧光纳米探针,实现了原位结肠癌中GSH的精确定量及实时成像,对人类疾病早期诊断的研究起到了重要的推动作用。

图 2. DCNP@NPh-PEG纳米探针对皮下瘤中GSH的定量检测

给实验组皮下瘤小鼠注射DCNP@NPh-PEG,对照组皮下瘤小鼠提前6 h注射L-丁硫氨酸-亚砜亚胺(BSO)(抑制GSH的产生),实验组小鼠肿瘤的比率信号在18 h前呈现上升趋势,18 h后逐渐下降,而对照组小鼠肿瘤的比率信号在0-48 h呈现下降趋势。检测到的实验组及对照组小鼠皮下瘤中GSH浓度分别为2.8 ± 0.3 mM及0.7 ± 0.2 mM。

图 3. DCNP@NPh-PEG纳米探针对原位结肠癌中GSH的定量检测

分别给实验组及对照组原位结肠癌小鼠注射DCNP@NPh-PEG及DCNP -PEG。小鼠原位结肠癌的比率信号趋势与皮下瘤小鼠一致。检测到的实验组及对照组小鼠原位结肠癌中GSH浓度分别为3.0 ± 0.4 mM及0.8 ± 0.1 mM。综上所述,DCNP@NPh-PEG纳米探针在结肠癌中GSH的NIR-Ⅱ区比率荧光定量中表现出优异的性能。

该成果以“Dye-Sensitized Downconversion Nanoprobes with Emission Beyond 1500 nm for Ratiometric Visualization of Cancer Redox State”为题,最新在线发表于Advanced Functional Materials(Doi: 10.1002/adfm.202009942)上。福州大学化学学院宋继彬教授为论文通讯作者。

通讯作者介绍

宋继彬,福州大学特聘教授、博士生导师。入选国家第十四批“海外高层次人才引进计划”及福建省“闽江学者特聘教授”等人才项目。2014年博士毕业于新加坡南洋理工大学,之后在美国国立卫生研究院(NIH)从事博士后研究,方向为生物医学成像分析。目前课题组主要研究方向为:光学探针、生物分析、活体成像、药物载体等。现主持国家自然科学基金委面上基金、特聘教授启动基金等项目。迄今已以第一/通讯作者发表论文70余篇,主要包括了Nat. Protoc., Nat. Commoun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater. Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev.,等。