纳米人

2个月，复旦大学该课题组连发Nature Nanotech.和Nature Materials！

奇物论
2021-08-02


荧光多路复用对于生物和生物医学研究至关重要，通过使用光谱不同的荧光团，可以在一个样本中同时显示多种生物物种。然而，活体哺乳动物组织中的荧光复用仍然是一个重大的科学挑战。已有的荧光团，如荧光蛋白和有机染料，大多发射光谱重叠的可见信号，这些信号可能会因组织异质性和深度位置而发生实质性改变，从而限制了可分辨标记颜色的数量。

 

尽管先进的光学显微镜和多光谱分解算法能够实现亚细胞到纳米级分辨率的高水平空间分辨率多路复用，但对于哺乳动物组织成像，由于荧光穿透有限，它们通常涉及使用侵入性采样方法，如组织切片、清除或扩展。最近的发展表明，在第二个近红外窗口（NIR-II；1,000–1,700nm）可提供更好的清晰度和更深的穿透深度。然而，许多已报道的NIR-II荧光团与可见探针具有相同的光谱重叠问题，事实上，发射红移通常伴随着光谱加宽。

 

鉴于此，复旦大学张凡、王尚风和华东理工大学张伟安等人报告了一种基于分子铒 (III)-细菌叶绿素复合物的荧光团系统，该配合物具有大斯托克斯位移 (>750nm) 和窄的 NIR 到 NIR 下转换光谱（半峰全宽≤ 32 nm）。这种杂化探针系统有助于实现高对比度和空间分辨率的多路NIR成像。成果发表在Nature Materials上。

 

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研究人员使用内消旋四（五氟苯基）细菌叶绿素（TFPBC）并通过有效的合成路线获得分子复合物 EB766，研究发现，EB766 在二氯甲烷中在 760 nm 处的激发导致在 1,530 nm 附近产生强烈的单色发光，当将这种复合物转移到磷酸盐缓冲盐水中的磷脂胶束中时，发光强度降低了约 30%。

 

研究人员发现，从细菌叶绿素三重态到铒 (III) 4I13/2 能级的快速 (2× 109 s–¹) 和接近统一的能量转移克服了臭名昭著的振动泛音淬灭，从而导致在水中能产生明亮而长寿命 (1.73 μs) 1530 nm发光。此外，EB766 在 760 nm 激发下在幻影组织中的最大光学穿透深度为 8 mm。

 

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图|EB766的发光原理、晶体结构和光谱特性

 

研究人员评估了 EB766 用于体内光学成像的能力。与在这些条件下完全漂白的吲哚菁绿 (ICG) 相比，EB766 在 760 nm 连续照射 30分钟下具有相当大的光稳定性。此外，EB766 独特的光谱特性支持基于激发或发射波长的多路复用，如：EB766与下转换纳米颗粒或Cy7.5连用。

 

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图|体内全身 NIR-II 多重成像

 

研究人员还制备了一种基于EB766-牛血清白蛋白（BSA）复合物的细胞追踪探针CT1530，该复合物与细胞穿透肽HIV-TAT结合，用于细胞内递送。CT1530 保留了 EB766 的光谱性能，在短波长区域（800-1,000 nm）中观察到配体荧光，在长波长区域（1,400-1,600 nm）中观察到 Er(III) 发光。这种源自一个分子的双发射特性使能够对两个波长区域的活体成像性能进行无偏见的比较。总而言之，研究人员展示了复合物在活体小鼠动态循环和代谢过程可视化中的激发/发射多路复用能力，并通过颅骨追踪小鼠大脑中的癌细胞转移。

 

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图|小鼠脑癌细胞转移的活体多重成像

 

综上所述，研究人员在此报告了一种新的荧光团系统，即铒 (III)-细菌叶绿素复合物，它具有大斯托克斯位移和NIR-to-NIR 窄带光谱，是哺乳动物活体中深层组织 NIR 多色成像的理想工具。由于其独特的光谱特性，这些配合物和其他现有的NIR-II荧光团之间的光谱重叠可以通过激发/发射复用方便地解决。

 

这种强大的多路复用能力，尤其是在“组织最透明”窗口(1,500–1,700 nm) 中，能够以较少的侵入性在体内提供有关感兴趣点生物分子、细胞相互作用和解剖精细结构（如脉管系统、前哨淋巴结和周围神经）的高分辨率信息，促进外科、诊断和生物学研究。

 

值得注意的是，复旦大学张凡、凡勇和河北大学杨艳民等人于6月10日发表在Nature Nanotechnology上报道了一系列可被x射线激活的掺杂镧系元素的纳米颗粒（Ln-PLNPs），其在近红外II区窗口具有超过 72 小时的发光寿命，实现在深部组织中显示出高对比度和高分辨率生物成像。（用于 NIR-II 成像的 X 射线激活持久发光纳米材料）


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参考文献：

Wang, T., Wang, S., Liu,Z. et al. A hybrid erbium(III)–bacteriochlorin near-infrared probe formultiplexed biomedical imaging. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01063-7


课题组介绍

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张凡，教授，博士生导师，中组部青年拔尖人才。2008年在复旦大学化学系博士毕业后赴美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学与生物化学系进行博士后研究。2010年8月通过复旦大学人才引进计划加入化学系。张凡教授主要从事于稀土近红外荧光纳米探针和有机分子探针的设计合成以及生物医学诊断分析。发表SCI论文100余篇，多篇以通讯作者发表在Nat.Nanotechnol, Nat. Commun，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Nano. Lett.等生物化学相关国际一流期刊上发表了一系列有影响的研究论文，引用超过17000次。25篇论文入选ESI高被引论文，2018-2020年入选科睿唯安全球高被引学者。撰写出版英文专著2部(英国皇家化学会出版社和德国Springer-Nature出版社)。获得教育部自然科学一等奖、侯德榜化工科技奖、上海市科技进步奖、上海市青年英才科技奖等荣誉。






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