李富友和冯玮课题组通过时间分辨发光成像技术实现小鼠血管温度的成像检测

使用发光探针进行小动物的活体成像已经逐渐发展成为生物医学研究的一项重要工具。对生物体内的环境信息进行功能性成像能够提供除探针位置外的更多信息，是活体成像领域的一个重要发展方向。但是使用发光探针对活体组织进行功能性成像（尤其是定量成像）还存在着诸多困难。以相对容易的温度检测成像为例，需要克服的问题主要来自于以下几个方面：（1）由于生物组织对光的遮蔽等影响，检测工作光在生物组织内需要有足够的穿透深度；（2）发光温度探针在血液等体液环境里会发生蛋白等生物分子的黏附，从而改变发光性质；（3）由于生物组织的吸收和散射容易受生理活动影响发生变化，使得传统的以发光强度为检测信号的方法容易出现偏差。

复旦大学李富友和冯玮课题组在前期研究工作的基础上，提出了如下方案解决活体准确测温的难题：（1）将温度发光探针的波长移到“光学透明窗口”，使用Nd-Yb共掺的稀土发光纳米材料作为探针，选择793 nm近红外激光激发，收集980 nm左右的发光信号；（2）通过重重包裹的方法设计了一个温度敏感的纳米核-多重壳层纳米胶囊结构，隔绝化学环境对探针发光性能的影响；（3）使用发光寿命作为信号，利用频域时间分辨成像设备进行信号检出，规避了发光信号受组织吸收和散射导致的误差。使用以上方法之后，设计的温敏探针能够在血液环境中仍提供准确的温度读数，并且能够在活小鼠内进行血管温度的成像(图1)。

图1 使用发光寿命作为温度检测信号（c）和使用单峰强度（a）,发光比度（b）之间的比较。使用频域时间分辨发光手段（d）和纳米结构的合理设计（e）获得血管内温度的准确测定。

具体来说，稀土镱和钕的氟化物在这里作为温度敏感的内核，壳层使用生物相容性较好且与稀土氟化物晶格匹配的氟化钙。相比于小分子等发光探针，纳米发光探针受环境的影响更小，发光更稳定。最为重要的是，实验结果表明这种稀土发光纳米颗粒随温度的响应与检测深度和化学环境等因素无关，只和纳米颗粒本身的掺杂浓度等因素相关。作者通过实验的方法明确证实了从镱离子到钕离子的能量传递速率和温度直接相关，从80 K到300 K的区间内可以发生约5倍的增加。在这一温敏原理的指导下对探针进行性能优化，相对的测温灵敏度可提高到2% K^‒1以上（298 K时）。

该核壳结构的纳米颗粒外面进一步进行了聚丙烯酸（PAA）聚合物的包裹，接着使用EDC-NHS偶连的方法将带氨基的聚乙二醇（PEG）共价连接在聚丙烯酸的羧基上。由于PEG的存在，纳米胶囊能够在生物环境中保持相对稳定，并在血液（模拟血样本以及加了稳定剂的兔血浆样本）中都保持原有的温度响应性质，而不需要进行额外的温度校正。

基于探针独特的抗干扰性质，研究人员进一步将这种纳米颗粒通过尾静脉注射到小鼠体内，小鼠腿部的血管可以很快被点亮。将小鼠的脚掌固定在制冷板上，对小鼠腿弯处的血管丛成像。在制冷过程中，可以发现血管丛的温度发生了整体性降低，而其中通向脚掌方向的静脉血管具有更大的降温幅度。关闭制冷板之后，不同血管都有明显的温度恢复过程。把制冷板换成加热板进行类似的实验，可以发现血管都有明显的加热现象。以上实验证明该技术可用于动物体内动静脉受冷热刺激的温度变化探测，为活体功能性成像提供了一种成功地实施案例。 

该成果以“Luminescence interference-free lifetime nanothermometry pinpoints in vivo temperature”为题，最新在线发表于Science China Chemistry。

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通讯作者简介

冯玮，复旦大学化学系教授，博士生导师。2000-2011年在北京大学化学与分子工程学院先后进行本科、硕博研究生学习和博士后研究。2011年进入复旦大学化学系工作。主要研究方向为稀土发光纳米材料的合成及生物成像与应用。2017年获自然科学基金委优秀青年基金资助。

李富友，复旦大学化学系教授，教育部长江学者，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事生物医用发光材料及转化研究，内容涉及：（1）上转换发光生物成像与活体检测；（2）发光体外诊断与食品安全检测；（3）多功能纳米材料用于诊疗研究。2014-2020年连续7年入选汤森路透/科睿唯安公布的全球“Highly cited researchers”名录，以第一完成人获2014年度教育部自然科学一等奖。