科研速递 | 理工学院唐本忠院士、赵征教授与合作者在National Science Review上发表文章

近日，理工学院唐本忠院士、赵征教授和苏州大学张卫杰教授、湘潭大学沈平教授、深圳大学熊玉教授等人合作在AIE-NIR-II生物成像领域取得新进展，相关成果以“Bright, photostable, and long-circulating NIR-II nanoparticles for whole-process monitoring and evaluation of renal transplantation”为题发表于National Science Review，doi: 10.1093/nsr/nwad286。

期刊介绍

National Science Review是中国科学出版社出版的综合性英文学术期刊，涵盖自然科学的所有领域，包括物理和数学、化学、生命科学、地球科学、材料科学和信息科学。旨在以多种形式全面反映国内外重大研究进展，尤其是重点报道中国具有代表性的科学研究进展，成为世界了解中国前沿科技突破和重要活动的平台，2023年的影响因子为20.6，JCR分区Q1。

研究背景

肾移植是治疗终末期肾病（ESRDs）的金标准。然而，肾源的匮乏导致越来越多的ESRD患者处于等待移植术的名单上。提高移植肾的存活率是解决供肾短缺的一种可行的替代方法。手术过程的实时监测对移植的成功至关重要，但目前尚缺乏有效的方法和技术。虽然多普勒超声、X线血管造影、CT、MR及放射性核素成像等技术可用于肾移植手术，但这些方法大多在实时监测和过程追踪成像方面存在各自的局限性。相比于这些传统的断层成像，荧光成像，尤其是近红外二区（NIR-II）成像，已然成为原位和实时监测多种诊疗过程的理想方法。因此，利用NIR-II荧光成像技术辅助移植外科医生提高手术的成功率是可行的。

荧光成像严重依赖于荧光造影剂。目前商业化的NIR-II荧光造影剂，如IR-26、IR-1061，稳定性差，浓度猝灭效应明显。同时，快速的肝清除显著缩短了小分子水溶性造影剂ICG的最佳成像窗口（＜5min），不足以指导耗时较长的肾移植手术（约3.5~5.0h）。虽然小分子造影剂的循环时间和光稳定性可以通过制备纳米聚集体来提高，但这会牺牲造影剂的固有亮度。因此，设计和制备具有高亮度、高稳定性和长循环特性的NIR-II造影剂势在必行，但同时也面临着诸多挑战。

为此，研究人员借鉴有机光伏受体分子的设计理念，制备出了一种摩尔消光系数高、亮度强、稳定性好且循环时间长的新型聚集诱导发光（AIE）造影剂。基于此造影剂，研究人员对模型动物肾移植手术的多过程进行了监测与评估，包括（1）供体取肾术中肾血管造影与受体原位肾血管重建术后血管造影并肾再灌注评估；（2）血流重建相关并发症的诊断及移植肾再灌注评估；（3）供肾质量评估等。

图1.AIE纳米造影剂DIPT-ICF NPs的制备及其在肾移植多过程中的监测与评估示意图

此外，借助该类新型AIE纳米造影剂，研究人员首次提出可通过实时尿检纳米造影剂的荧光实现肾小球滤过屏障（GFB）损伤的识别及严重程度评估，这种方法有望促成肾移植排斥反应肾损伤的无创诊断。综上所述，这项研究为提高肾移植手术成功率提供了一项重要而可行的策略。

研究方法

纳米造影剂制备及表征

首先，作者设计并合成了两个新型受体-给体-受体分子DIPT-IC和DIPT-ICF。紧接着，作者对DIPT-IC、DIPT-ICF及其纳米颗粒（NPs）的光物理性质进行了表征。DIPT-IC NPs和DIPT-ICF NPs是使用表面活性剂F-127（美国食品药品监督管理局批准）通过纳米沉淀法制备（图2a）。作者利用动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分别表征了纳米造影剂的水合粒径和形貌（图2b）。在四氢呋喃（THF）溶液中，DIPT-IC和DIPT-ICF均显示出较强的吸收，最大吸收峰分别位于737 nm和820 nm。与DIPT-IC相比，氟化后的分子DIPT-ICF的吸收波长红移了83 nm，这归因于氟原子增强了分子内电荷转移（ICT）效应。密度泛函理论（DFT）计算显示，DIPT-ICF的能隙比DIPT-IC小0.035eV（1.844 eV vs 1.879 eV），与吸收数据相匹配。此外，HOMO与LUMO电子密度分布的良好重叠有利于电子跃迁，并产生高MEC。这与实际测量数值相匹配，DIPT-ICF在820 nm处的MEC极高，为1.79×10⁵ M^-1cm^-1，比DIPT-IC的MEC（0.58×10⁵ M^-1cm^-1，737 nm）高出近3倍（图2c）。因此，合理的引入氟原子有助于吸收的红移和MEC的提升。值得一提的是，如此高的MEC将有助于制备高亮度的纳米造影剂。此外，在聚集态下，DIPT-ICF NPs的吸收光谱相对于其单分子状态产生了进一步的红移，这表明形成了类似J-聚集的聚集体。特别是，DIPT-ICF NPs的吸收峰位红移至974 nm，吸收光谱延伸到1100 nm，有利于实现较深的组织穿透（图2d）。此外，DIPT-ICF NPs在不同分散液、不同pH条件及不同的激光照射下呈现出良好的光稳定性。

图2. DIPT-ICF NPs的制备、表征与稳定性评估

循环滞留时间和血管造影的最佳时间窗口持续时间评估

为了能实现荧光技术对肾移植全过程的监测，研究人员以ICG为参照，分别对DIPT-ICF NPs在血液循环中的滞留时间与最佳时间窗进行了评估。

图3.造影剂滞留时间与最佳时间窗口评估

供体兔取肾术中肾血管造影与受体兔原位移植术后血管造影并肾再灌注评估

肾血管解剖的准确性和肾血管重建后的血流灌注对肾移植手术的成功至关重要。研究人员以DIPT-ICF NPs为造影剂，对供肾摘取和原位肾移植手术过程进行可视化监测。

图4. 取肾与原位肾植入手术过程监测

血流重建相关并发症的诊断及移植肾再灌注评估

吻合口血流动力学异常是肾血流重建的常见问题，可直接引起移植肾再灌注不良，诱发移植肾失活。如术中不能及时发现，将影响手术的成功率。为此，研究人员利用AIE纳米造影剂，借助NIR-II荧光成像技术，术中成功识别了模型动物吻合口血流动力学障碍。

图5.肾移植血管吻口血流动力学障碍的诊断

供肾质量评估

优质的肾源是移植肾长期存活的关键。在术前快速、无创地评估供肾质量至关重要。尽管外科手术和低温灌注技术不断进步，但在肾移植过程中，供肾可能会经历不同时间的潜在缺血。然而，通过肉眼很难判断缺血对肾脏造成的损伤。幸运的是，在NIR-II荧光造影技术的辅助下，可以快速识别经历不同缺血时间的肾脏之间的差异，并可通过尿液的荧光评估GFB损伤程度。

图6.近红外荧光技术评估供肾质量及其机理探索

研究结论

在本工作中，研究人员合理地设计并制备了一种AIE-NIR-II纳米造影剂DIPT-ICF NPs，该造影剂与IR-26 NPs和IR-1061 NPs相比具有更高的亮度，比ICG具有更好的光稳定性和更长的循环滞留时间。其良好的生物相容性，使DIPT-ICF NPs成为复杂生理环境下理想的造影剂。在活体供肾摘取术中，以DIPT-ICF NPs为造影剂实施肾血管NIR-II造影，有助于术者直观定位肾血管及分支的解剖位置，从而防止医源性供肾损伤。通过NIR-II血管造影和输尿管造影，可以实时观察血管和输尿管膀胱吻合的手术并发症。此外，基于DIPT-ICF NPs的NIR-II成像技术可以评估供肾热缺血和移植肾再灌注后的GFB损伤。综上，本研究展示了一种出色的NIR-II纳米造影剂及其在实验动物肾移植全程监测中的应用潜力，将会为临床肾移植的监测和评估提供材料与技术支持。

作者简介

唐本忠院士，赵征教授，张卫杰教授为本文通讯作者。

唐本忠教授1982年获华南理工大学学士学位，1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994–2021年在香港科技大学工作。2009年、2017年、2020年先后当选中国科学院院士、亚太材料科学院院士、发展中国家科学院院士。2021年加入香港中文大学（深圳）担任理工学院院长、校长学勤讲座教授。主要从事高分子化学和先进功能材料研究。在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果，是AIE概念的提出者和AIE研究的引领者。已发表学术论文2,000多篇，总引用超180,000次，h因子为187。在学术会议上作了500多场邀请报告，拥有100多项授权专利。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。2014年至今连续当选全球材料和化学双领域“高被引科学家”。2007年获Croucher基金会高级研究员奖，2012年获美国化学会高分子材料科学与工程分会MACRO讲座奖，2014年获伊朗国家科技部颁发的Khwarizmi国际奖，2015年获广州市荣誉市民称号，2017年获国家自然科学一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖，2021年获Nano Today国际科学奖，2023年获生物材料全球影响力奖。

赵征，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者，中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准专业委员会常务委员，中国抗癌协会医工整合专业委员会委员、中国感光学会光学传感与诊疗专委会委员、深圳市分子聚集体功能材料重点实验室副主任，港中大（深圳）第二附属医院AIE临床转化中心执行副主任，香港中文大学（深圳）材料科学与工程研究生项目主任。获首届中国化学会朱道本有机固体青年创新奖、Materials Chemistry Frontiers新锐科学家、Journal of Materials Chemistry B新锐科学家等荣誉称号，2022-2023连续入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。赵征教授于中国科学院上海有机化学研究所取得博士学位，后赴香港科技大学化学系进行博士后研究，2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院开展研究工作。当前的研究兴趣包括新型聚集体光功能材料、聚集体光敏剂及其应用、近红外二区材料及其应用。已在Natl. Sci. Rev、 Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Central Science.、Adv. Mater等国际顶级期刊发表论文90余篇，包括13篇ESI高被引论文，论文总计被引用7800余次，H-index为48。目前兼任科学出版社聚集诱导发光系列丛书编委，Aggregate期刊顾问编委，National Science Review期刊青年编委，Smart Molecules期刊青年青年编委，Chinese Chemical Letters 期刊青年编委，集成技术期刊青年编委，National Science Review客座编辑，Biomaterials期刊客座编辑等。

供稿 | 赵征教授团队

【END】

点击以下链接，进入理工时刻：