综述:长余辉纳米材料在生物医学中的应用研究进展
研究背景
长余辉(PLNPs)是一类在激发光停止之后仍能够持续较长时间发光的新型发光材料。由于可以有效地消除生物组织的自发荧光干扰,且具有超长的近红外余辉发射,近红外发光长余辉在生物传感、细胞跟踪、生物成像和癌症治疗等方面的操作已成为人们研究的热点,引起了各个领域的广泛关注。
Recent Advances of Persistent Luminescence Nanoparticles in Bioapplications
Shuqi Wu, Yang Li, Weihang Ding, Letong Xu, Yuan Ma, Lianbing Zhang*
Nano-Micro Lett.(2020)12:70
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0404-8
本文亮点
1 长余辉纳米颗粒的性质、发光机理及合成方法的总结。2 深入探讨用于化学/生物传感、生物成像和成像引导治疗的长余辉的独特特性和优势。3 讨论新型有机长余辉和聚合物长余辉用于活体光学成像的应用。内容简介
西北工业大学张连兵教授课题组在本综述中介绍了长余辉的不同合成方法、生物膜修饰、功能化、生物应用、和生物安全性等方面的工作,并重点介绍了生物传感、多模态成像、药物输送和成像引导治疗等方面的最新进展。此外,还讨论了长余辉作为一类新兴的多用途功能生物材料的多种应用。最后,对存在的问题和挑战进行了讨论,并对生物医学应用的未来发展方向提出了建议和展望。
图文导读
I 长余辉的典型合成方法
在过去的十年里,各种长余辉的合成都是采用固相合成的方法,长时间的反应时间和较高的退火温度使得荧光粉体积较大,形状不规则,限制了其在生物医学领域的应用。因此,研究者们开发了尺寸和形状可控的新的合成方法来制备长余辉纳米颗粒,如溶胶-凝胶法、模板法、水热/溶剂热法和其他湿化学合成法。
1.1 单分散长余辉的合成
图1. 单分散和小尺寸长余辉的形貌。(a)一种直接水相合成小于10 nm长余辉的方法。(b)用非水溶胶-凝胶法合成超小长余辉。(c)硅壳辅助合成单分散长余辉的合成路线。(d)采用两相法制备粒径小于10 nm的长余辉。
图2. (a)空心近红外长余辉的合成与功能化。(b)通过EDTA刻蚀来调控长余辉的缺陷,大小和分散性。
1.2 生物膜修饰长余辉
II 长余辉在生物化学/生物传感的应用
由于免原位激发,长余辉可以在无背景噪声干扰的情况下进行化学/生物传感。值得注意的是,近红外发射的长余辉在生物组织中表现出较高的穿透深度,良好的光和化学稳定性,且低毒,这使得它们在化学/生物传感过程中具有特殊的优势。此外,长余辉可以很容易地用各种官能团修饰以进行目标检测,研究者们基于这些功能性长余辉在化学/生物传感方面进行了许多研究。
图4. 基于长余辉的生物传感示意图。(a)基于抗体(Ab)-AuNPs包裹PEI-PLNPs用于甲胎蛋白(α)的荧光能量共振转移(FRET)抑制试验。(b)使用半胱天冬氨酸特异肽化长余辉探针检测半胱天冬酶-3的蛋白酶。(c)基于长余辉的FRET免疫分析用于前列腺特异性抗原(PSA)检测。
III 基于长余辉的生物成像
无需连续原位激发的长余辉可以有效地避免连续激发产生的背景干扰,显著提高成像灵敏度和信噪比(SNR)。此外,长余辉具有较大的比表面积,可以很容易地通过二氧化硅包覆、聚合物交联、生物分子偶联等方式实现表面修饰,可以被广泛应用于生物成像领域。与传统的体内光学成像探针相比,长余辉具有高的光稳定性、高信噪比和良好的生物相容性,可以直接用于商业化的成像系统。重要的是,长余辉和红光可再生能力允许长余辉在活体生物成像应用中长期使用。
3.1 细胞成像和细胞跟踪
图6. 利用A-ZGCN纳米粒子对乳腺癌细胞进行活体示踪并通过放射治疗抑制肿瘤转移。
图7. 活体三模态生物成像。(a)长余辉在不同的时间点成像。(b)冠状面T1加权MRI像。(c)冠状CT图像。
3.3 X射线辐照的长余辉在活体成像中的应用
3.4 在第二个或第三个生物窗口的活体余辉成像
IV 基于长余辉的影像引导治疗
长余辉发光纳米材料具有超长的发光寿命,由于其持久的发光可以用被来确定治疗所需的准确位置和时间,即所谓的“成像引导治疗”。在众多的治疗技术中,化疗、光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)因其治疗效果明显而成为研究最多的技术。长余辉具有显著的穿透深度和生物相容性,可以集成起来提供各种余辉成像引导疗法。
4.1 基于长余辉的药物传递和化疗
图11. 示意图显示了ICG功能化长余辉在体内余辉成像引导PTT中的应用。
V 不同长余辉的生物分布和生物安全性评价
VI 用于活体光学成像的新型有机长余辉和聚合物长余辉
目前,长余辉的数量和类型仍然相对有限。国内外对稀土重金属离子掺杂无机材料的研究主要集中在稀土重金属离子掺杂无机材料上。高成本、相对复杂的制备和表面改性方法阻碍了其商业化。因此,开发价格低廉、长期发光、生物兼容、生态友好、无重金属离子的新型余辉材料是非常有必要的。
图12. (a)APTN的设计与合成。研究了余辉引发剂(NCBs)和余辉前药(PEG-AE-5DFUR)的化学结构。(b, c)肿瘤微环境响应药物释放,激光照射产生1O2和余辉跟踪。
图13. 用于精确图像引导癌症手术的近红外余辉AIE点。
VII 展望
虽然长余辉的合成工艺已经取得了长足的进步,但仍有许多领域需要进一步研究,包括可控合成具有新的波长发射和激发带的长余辉,提高磷光寿命和余辉强度,探索新的激活剂、基质和新颖的多功能应用领域。
作者简介
▍主要研究领域
纳米酶;新型功能纳米材料生物医学应用;生物内源分子纳米修饰与仿生;微纳仿生电光效应;生物催化剂分子改造及构效关系分析。▍主要研究成果迄今在AngewChem Int Ed, NanoLett, Small, Chem. Commun, Adv. Healthc. Mater,Pharmacological Research, Biomaterials, Nano Research等期刊发表SCI收录学术论文30余篇,被引用超900次。在2017年入选陕西省青年百人计划,并于2019年开始担任中国生物物理学会,纳米酶分会副会长。
▍个人主页https://teacher.nwpu.edu.cn/2016010097西北工业大学 副教授
▍主要研究领域
长余辉纳米材料合成、生物医学应用;细胞示踪;金属-有机骨架材料应用;纳米酶研发。
▍主要研究成果迄今在Chem.Commun, Anal Chem, Adv Funct Mater等期刊发表SCI收录学术论文10余篇,申请了2项国家发明专利。
▍个人主页https://teacher.nwpu.edu.cn/2017010220撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报》编辑部
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