程震/孙涛垒/胡振华Nature Biomed. Eng.： 新型的NIR-II磷光探针
奇物论
2021-08-23
第二个近红外窗口（NIR-II；1,000-1,700 nm）中的光学生物成像提供了大穿透深度和高空间分辨率。人们对设计各种类型的探针（如有机小分子、半导体量子点和稀土纳米晶体）的兴趣日益浓厚，从而产生了一个大型 NIR-II 生物成像探针库。从光物理的角度来看，到目前为止，所有这些探针都只发射 NIR-II 荧光。荧光有多个固有的缺点，例如斯托克斯位移小（有机菁荧光团约50 nm，IV–VI纳米晶体<200 nm）和发射寿命短（纳秒级）。epi荧光显微镜中未聚焦的自发荧光信号通过叠加到感兴趣的焦点内NIR-II信号上，从而产生黑色天空中的白星效应，从而使图像模糊。在动态生理环境深处实现目标特定的成像仍然具有挑战性。室温磷光（一种与荧光有关的光致发光）因其长寿命的发光、大的斯托克斯位移和高信噪比而引起了光子学和有机电子学的广泛关注。这些特性有助于克服传统NIR-II荧光成像的缺点。在这种情况下，磷光和NIR-II生物成像的功能集成可以提供高质量的生物成像。然而，主要由于材料设计策略的不足，NIR-II磷光成像一直难以实现。鉴于此，斯坦福大学程震、武汉理工大学孙涛垒和自动化研究所胡振华等人报道了一种寿命为数百微秒和斯托克斯位移为 430 nm 的 NIR-II 磷光探针的开发和体内应用。成果发表在Nature Biomedical Engineering上。
该探针由谷胱甘肽封端的铜-铟-硒纳米管制成，在酸性环境 (pH 5.5-6.5) 中从显示荧光转换为磷光。具体而言，研究人员表明，谷胱甘肽修饰的铜-铟-硒（CISe）纳米管在中性环境中几乎无荧光，在微酸环境中可在约1130 nm处产生NIR-II磷光。研究发现，NIR-II磷光的出现可归因于Cu至In激子转移，其中 CISe 纳米管的自限组装稳定了激发态能量。体内外研究表明，CISe 纳米管具有生物相容性。对于肿瘤生物成像，将 CISe 纳米管以 20mg kg-1 的剂量静脉注射到带有皮下 143B 骨肉瘤癌细胞的裸鼠体内。在基于强度的 NIR-II 成像系统下，PEG-CIS 纳米棒在肿瘤内部和其他正常组织（特别是肝脏和肠道）中发出强度信号，造成强烈的背景干扰。肿瘤对正常组织 (T/NT) 值结果表明，注射到小鼠体内的 CISe 纳米管的 T/NT 值在 24 小时达到 190±10。肿瘤成像数据证实了，微妙的生理相关 pH 触发足以激活 CISe 纳米管的长寿命磷光。同时表明 CISe 纳米管可以特异性靶向酸性肿瘤微环境。此外，体模研究表明 NIR-II 磷光在更深的组织穿透中比 NIR-II 荧光具有更好的空间分辨率。总的来说，在骨肉瘤和乳腺癌的异种移植模型中，该探针的静脉内或瘤内注射能够以比使用聚合物稳定的铜-铟-硫化物纳米棒的 NIR-II 荧光成像更高的信号背景比、空间分辨率和灵敏度进行磷光成像。综上所述，依靠生理 pH 诱导的辐射模式切换策略的 NIR-II 磷光成像可以解决传统光学探针的光物理、生物和体内肿瘤成像缺点。NIR-II 磷光成像可以为肿瘤特异性体内成像提供许多机会。在时间分辨成像系统下，来自 CISe 纳米管的长寿命 NIR-II 磷光的尖锐和精细的 pH 敏感性可能有助于规避体内成像的肿瘤异质性。NIR-II 磷光和 NIR-II 成像的功能集成提供了高空间分辨率和深穿透深度的肿瘤特异性成像。因此，NIR-II 磷光成像可以在广泛的生物医学应用中提供有利的性能。Chang, B., Li, D., Ren, Y. et al. A phosphorescent probe for in vivo imaging in the second near-infrared window. Nat Biomed Eng (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00773-2
