新加坡南洋理工大学浦侃裔教授课题组重大突破：基于有机半导体高分子纳米材料的新型分子成像技术——“分子余辉成像”

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《自然－生物技术》(《Nature Biotechnology》)10月16日在线发表了新加坡南洋理工大学浦侃裔教授课题组的最新研究成果《强发光、可降解的高分子纳米材料用于分子余辉成像》(Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles)。该成果首次发现了基于水溶性有机半导体高分子纳米材料的长余辉现象，并将该材料应用于活体分子成像，该研究小组称之为“分子余辉成像”。基于该材料的成像具有高达4 cm的组织穿透能力，活体动物成像信噪比高于传统的近红外荧光成像一百多倍。该研究成果开拓了分子成像研究领域的新视野，为分子成像领域用于临床诊断，药物筛选等提供了新途径新方法。

传统的荧光成像技术由于需要实时光激发，从而会导致很强的组织自发荧光(autofluorescence)进而降低了活体成像的灵敏度和特异性。因此，包括生物发光(bioluminescence)和切伦科夫发光(Cerenkov luminescence)在内的成像技术由于具有不需要实时光激发的特点从而吸引了广泛的研究兴趣。然而，生物发光需要酶、底物等因素的作用下才能发光，这会导致信号强度受到来自酶的微环境以及底物在生物体内分布的影响。切伦科夫发光依赖于放射性同位素衰变产生的带电粒子的超速运动，这个过程不仅会产生有害的电离辐射，而且发出的信号基本都是短波长的蓝色辉光，从而限制了其成像的组织穿透能力。

余辉发光(afterglow luminescence)是材料在光激发结束后的内在持续发光过程，其通常是由材料经过光热激活后，光子从能量陷阱中缓慢释放所产生。虽然余辉发光成像技术由于无需实时光激发的优势在活体成像中具有巨大的应用前景，但是目前仅有少数几种基于稀土元素的无机纳米材料具有这种余辉发光的性能。同时，由于无机纳米材料表面不易修饰导致了其缺乏靶向能力；并且其发光亮度低，半衰期短，尤其是其自身的重金属毒性等问题，限制了该材料进一步的生物应用。

因此，为了解决上述问题，南洋理工大学的浦侃裔(Kanyi Pu)教授团队开发了一种具有余辉发光的半导体高分子纳米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)并将其应用于分子余辉成像。该纳米材料全部由有机分子构成并且具有生物可降解的特性，从而克服了上述无机纳米材料的生物毒性问题。此外，相比于上述无机纳米材料，该纳米材料具有更长的发射波长(780 nm)和余辉发光半衰期（6分钟）, 并且发光亮度高出100多倍。由于其具有近红外波长发射，高余辉发光强度和无需实时光激发的特点，其光学信号可以穿透整只小鼠身体，并且在小鼠活体淋巴结和肿瘤成像中，其余辉发光的成像信噪比(signal to background ratio, SBR)比传统的近红外荧光高出127倍。此外，通过对SPNs的表面进行修饰，还可以开发出一种生物硫醇激活的智能余辉成像探针，并将其用于药物诱导肝毒性的早期检测。综上，该纳米材料具有余辉发光波长长，强度高，半衰期长等优势，使其在组织穿透性和成像分辨率等方面大大优于传统的近红外荧光成像，在生物成像领域具有广阔的应用前景。

淋巴结和肿瘤的余辉成像

图1，活体淋巴结(a,b,c)和肿瘤成像(d,e,f)。SPN-NCBS5材料使用808 nm激光照射1分钟 (激光强度1 W/cm2)后，-20 ºC保存1天（保存余辉发光），使用前无需再光照样品，直接通过小鼠手掌注射后，30分钟后即可在淋巴结观察到余辉信号。在注射65分钟后原位照射再激活SPN-NCBS5，此时余辉发光成像的信噪比可达到近红外荧光成像的127倍。肿瘤成像也表明SPN-NCBS5的余辉成像具有比传统近红外荧光成像更高的信噪比和分辨率。