戴宏杰院士2019年研究成果集锦
纳米人编辑部
2020-02-17
纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是，美国科学院院士，美国医学院院士，美国科学与艺术学院院士，斯坦福大学戴宏杰教授课题组。戴宏杰教授长期从事碳纳米材料的生长合成，物理性质研究，纳米电子器件研发，以及纳米生物医学等方面的研究，在上述领域都取得了卓越的成就，并获得了广泛的影响，是国际纳米材料研究领域的领军人物之一。课题组网站：https://web.stanford.edu/group/dailab/以下对戴宏杰研究团队2019年部分研究成果进行介绍，供大家学习交流。1. Nature Biotech.：NIR IIb区稀土纳米颗粒用于体内分子成像和免疫治疗NIRIIb区 (NIR-IIb) (1500-1700 nm)激光对于实现哺乳动物的深组织光学成像来说是理想的选择，但目前还缺乏高效和生物相容性较好的探针。斯坦福大学戴宏杰教授团队开发了一种具有良好生物相容性的立方相(α-phase) 铒基稀土纳米颗粒(ErNPs)，它具有高效的下转换发光性能，可用于对癌症免疫治疗的小鼠进行动态成像。实验使用连有抗PD-L1抗体交联亲水聚合物层功能化的ErNPs对结肠癌小鼠的PD-L1进行分子成像，发现肿瘤与正常组织的信号比约为40。对PD-L1和CD8的体内NIR-IIb分子成像实验表明，经免疫治疗后的肿瘤微环境会存在细胞毒性T淋巴细胞，并且免疫激活后的肿瘤和脾脏中的CD8信号也会发生改变。YetengZhong, HongjieDai. et al. In vivo molecular imaging for immunotherapy usingultra-brightnear-infrared-IIb rare-earth nanoparticles. Nature Biotechnology. 2019https://www.nature.com/articles/s41587-019-0262-42. Nature Methods：近红外II窗口中的光片显微镜由于光散射的存在，具有高时空分辨率的活哺乳动物的非侵入式深层三维光学成像技术具有挑战性。斯坦福大学戴宏杰教授等人开发了近红外II（1000-1700 nm）光片显微镜，其激发和发射分别高达约1320 nm和1700 nm，可用于无需进行侵入式手术的穿透活组织的深度约为750μm的光学切片，以及用于在甘油清除的脑组织中约2 mm的深度光学切片。正常和倾斜配置的近红外II光片显微镜可以通过完整组织对活小鼠进行体内成像，揭示肿瘤微循环中的异常血流和T细胞运动，并以细胞分辨率绘制肿瘤中的程序性死亡配体1和程序性细胞死亡蛋白1图谱。通过完整的小鼠头部三维成像，可以分辨头颅和大脑皮层之间的血管通道，并可以监测巨噬细胞和小胶质细胞向创伤性脑损伤部位的募集。Wang, F., Wan, H., Ma,Z. et al. Light-sheet microscopy in the near-infrared II window. Nat Methods16, 545–552 (2019)https://doi.org/10.1038/s41592-019-0398-73. AM：近红外II区分子染料用于癌症成像和手术治疗生物荧光成像为研究人员和外科医生提供了一个重要的辅助工具。美国国立卫生研究院陈小元和斯坦福大学戴宏杰教授等人综述了在近红外II区这一生物光学透明窗口产生发光的有机染料，它可以使得发射光与周围组织的相互作用降到最低，使光子可以几乎不受干扰地在全身传播。因此，近红外II区分子荧光成像可以克服可见光成像的穿透度和对比度的瓶颈，为早期诊断癌症和高敏感性肿瘤手术导航提供帮助。由于其可以与多肽或抗体进行生物偶联，近红外II区分子染料也是一种理想的，可靶向肿瘤的成像候选造影剂，有效解决了深部组织分子成像的自荧光和散射问题。作者也对近红外II区分子染料的合成和化学结构及光学性质进行了总结；对生物偶联的近红外II区分子染料的生物行为及用于癌症检测和手术等领域的应用做了介绍；最后也对近红外II区分子染料的应用前景进行了展望。Shoujun Zhu, XiaoyuanChen, Hongjie Dai, etal. Near-Infrared-II Molecular Dyes for Cancer Imaging andSurgery. AdvancedMaterials, 2019.https://doi.org/10.1002/adma.201900321近红外II区荧光成像在近十年来取得了显著的研究进展，这也是由于近红外II区荧光成像具有良好的组织穿透深度和高时空分辨率。与此同时，分子影像也已成为在分子和细胞水平上理解生物行为的有效工具。因此，将分子影像扩展到近红外II区将进一步提高其成像性能，并提供更详细和准确的生物系统信息。斯坦福大学戴宏杰团队总结目前近红外II区分子成像领域所取得的一些成果，对基于近红外II区分子成像探针的合理设计策略进行了阐述，并着重介绍了它们的应用，旨在为进一步开发高性能的近红外II区分子成像探针提供指导和参考。Hao Wan, Hongjie Dai. etal. Molecular Imaging in the Second Near-Infrared Window. AdvancedFunctional Materials. 2019https://doi.org/10.1002/adfm.2019005665. Nano Research：在近红外II区窗口的治疗剂用于癌症治疗和成像纳米粒是一种用于治疗药物同时诊断和影像引导给药的集成系统，在临床上具有广泛的应用前景。于此，斯坦福大学戴宏杰教授等人开发了一种基于聚合物胶束的p-FE-PTX-FA纳米微粒（动态光散射约24nm大小），该胶束包裹了在1000-1700nm秒近红外（NIR-II）窗口中荧光的有机染料（FE）和抗癌药物紫杉醇。将叶酸（FA）与纳米颗粒结合，使其与小鼠乳腺癌4T1细胞叶酸受体特异性结合。在体内，纳米颗粒通过被动和主动靶向作用在4T1肿瘤中积累。在808nm激光激发下，1300nm以上的荧光检测产生了较大的Stokes位移，使高信噪比的靶向分子成像肿瘤达到高肿瘤正常组织信号比（T/NT）（20.0±2.3）。此外，小鼠4T1肿瘤在第一次注射后20天内被p-FE-PTA-FA释放的紫杉醇完全根除。药代动力学和组织学研究表明，P-FE-PTX-FA对大器官无明显毒副作用。这代表了第一个NIR-II治疗剂的开发。Ma, Z., Wan, H., Wang,W. et al. A theranostic agent for cancer therapy and imaging in the secondnear-infrared window. Nano Res. 12, 273–279 (2019)https://doi.org/10.1007/s12274-018-2210-x6. Nature Commun.：基于离子液体电解质的安全且不易燃的钠金属电池具有高能量密度的可充电钠金属电池的实现具有重要意义，但追求更高的能量密度也应具有高的安全性，而有机溶剂电解质很难达到该要求。斯坦福大学戴宏杰团队提出了一种基于NaCl缓冲AlCl3/1-甲基-3-乙基咪唑氯化物的离子液体电解质，用于安全和高能Na电池。两种1至4 wt.％的电解质添加剂，乙基二氯化铝（EtAlCl2）和1-乙基-3-甲基咪唑双（氟磺酰基）酰亚胺（[EMIm] FSI）是稳定钠负极上的SEI实现可逆钠电镀/剥离的关键。这是用于可充电钠金属电池的第一种基于氯铝酸盐的离子液体电解质。固体电解质界面（SEI）分析显示SEI成分包括NaCl，Al2O3和NaF，其衍生自Na与IL电解质中阴离子之间的反应。在含有该IL电解质的Na/Pt电池中，在约为100次可逆Na电镀/剥离循环中，在0.5 mA cm-2下达到约为95％的库伦效率（CE）。使用优化的IL电解质，将Na负极与磷酸钒钠（NVP）和磷酸钒氟化钠（NVPF）基正极配对，可提供高达~4 V的高放电电压，高达99.9％的CE和最大能量功率密度分别为420Wh kg-1和1766 W kg-1。700次循环后，电池容量保持率为90％以上。Hao Sun, Guanzhou Zhu,Xintong Xu, Meng Liao, et al, A safe and non-flammable sodium metal batterybased on an ionic liquid electrolyte, Nature Communications, 2019.https://doi.org/10.1038/s41467-019-11102-27. PNAS: 太阳能驱动，持续稳定的海水分解制氢电解水生产氢燃料是一项颇具吸引力的可再生能源储存技术。然而，大规模的淡水电解将给水资源带来沉重的压力。开发廉价的电催化剂和电极，在不受氯腐蚀的情况下实现海水的分解，可以解决水资源短缺的问题。有鉴于此, 北京化工大学孙晓明教授和斯坦福大学戴宏杰教授等人将镍铁氢氧化物电催化剂均匀生长在硫化镍(NiSx)层上，并将硫化镍生长在镍导体上形成多层结构(镍铁/ NiSx-Ni)，该催化剂具有优越的催化活性和耐腐蚀性能，在工业所需电流密度(0.4-1 A cm-2)下，太阳能驱动碱性条件下进行持续稳定海水电解超过1000 h。持续的高析氧反应活性的NiFe电催化剂层将阳极电流引向水氧化，在阳极上形成原位生长硫酸盐和富含碳酸盐的钝化层，使海水分解过程中阳极可以排斥氯离子并具有优异的耐腐蚀性。Yun Kuang, Michael J.Kenney, Yongtao Meng, et al. Solar-driven, highly sustained splitting ofseawater into hydrogen and oxygen fuels. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019https://doi.org/10.1073/pnas.19005561168. ACS AMI: 浓盐和静置法对固体电解质界面形成的影响，以提高无阳极锂电池的循环稳定性Tamene Tadesse Beyene,Bikila Alemu Jote, Zewdu Tadesse Wondimkun, Bizualem Wakuma Olbassa, et al.Effects of Concentrated Salt and Resting Protocol on Solid ElectrolyteInterface Formation for Improved Cycle Stability of Anode-Free Lithium MetalBatteries.ACS Applied Materials & Interfaces 2019 11 (35), 31962-31971https://doi.org/10.1021/acsami.9b095519. RCS Adv.: 可充电铝电池：离子液体电解质中阳离子的影响Zhu G, Angell M, PanC-J, Lin M-C, Chen H, Huang C-J, et al. Rechargeable aluminum batteries:effects of cations in ionic liquid electrolytes. RSC Advances.2019;9(20):11322-30.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/RA/c9ra00765b#!divAbstract10. Eur J ClinMicrobiol Infect Dis：用唾液检测的plasmonic金芯片通过侵入性手术如静脉切开取血是最常用的诊断方法。然而，静脉切开术有几个缺点，包括疼痛、血管迷走反应和焦虑。因此，应开发替代方法，以尽量减少患者的不适。唾液是一个合理的选择，当获得时，病人几乎没有产生焦虑。斯坦福大学戴宏杰教授和Jose G. Montoya等人建立了一种用新型plasmonic金（pGOLD）芯片检测血清、全血和唾液中弓形虫IgG和IgM、风疹IgG和CMV IgG的多血清学方法。血清、全血、唾液pGOLD检测结果与商品试剂盒检测结果进行比较。检测了来自法国的120份血清/唾液样本（Lyon）和28份血清/全血/唾液样本（Nice）。在血清和全血中，pGOLD中多重弓形虫、CMV和风疹IgG的敏感性和特异性均为100%。唾液中弓形虫和风疹IgG的敏感性和特异性分别为100%，CMV-IgG的敏感性和特异性分别为92.9%和100%。与血清检测结果相比，研究人员还能够检测唾液中的弓形虫IgM，敏感性和特异性分别为100%和95.4%。通过多重pGOLD测定法对唾液中的弓形虫，风疹和CMV进行血清学检测是可靠的，并且对于系统性筛查孕妇，新生儿和免疫功能低下的患者而言，可能更容易接受。Li, X., Pomares, C.,Peyron, F. et al. Plasmonic gold chips for the diagnosis of Toxoplasma gondii,CMV, and rubella infections using saliva with serum detection precision. Eur JClin Microbiol Infect Dis 38, 883–890 (2019)https://doi.org/10.1007/s10096-019-03487-1除此之外，更多往年研究成果可访问课题组官网进行学习：课题组网址：https://web.stanford.edu/group/dailab/戴宏杰教授本科毕业于清华大学，获哈佛大学博士学位。1997年起加入斯坦福大学化学系，现任J.G. Jackson & C.J.Wood 终身荣誉教授。戴宏杰教授2002年获得美国化学会纯粹化学奖；2006年获得美国物理学会James McGroddy（新材料）奖；2009年获得哥伦比亚大学Ramabrahmam和Balamani Guthikonda奖；2009年当选“美国科学与艺术学院院士”；2010年当选“美国科学促进会会士”；2016年当选“美国科学院院士”；2019年当选美国医学院院士。戴宏杰教授在物理、化学、材料和生物医学类的国际著名期刊发表论文300余篇，其论文的总引用次数超过12万次，H-index: 150。戴教授在多个国际学术刊物上担任编辑和编委工作，是《Nano Research》的发起人和主编。
