南洋理工浦侃裔Adv. Mater.: 有机半导体材料在深层组织分子成像中的应用

【引言】

光学成像在生物学和医学中有着非常重要的作用，但是其依然存在诸多问题，比如由于光散射和组织自发荧光引起的较低的信噪比和较浅的组织探测深度。为了解决这些问题，NIR-II荧光成像、自发光成像和光声成像技术开始出现并受到了广泛的关注。这些成像技术分别通过减少光与组织的相互作用、消除实时光激发和检测声音信号来达到更优质的成像效果。因为满足光谱吸收/发射范围超出可见光区域的内源性分子的缺少，所以需要开发显影剂用于深层组织光学成像。拥有π共轭结构的有机半导体材料，由于较容易的化学修饰和明确的结构-性能关系，可以通过不同的设计与合成来满足不同成像技术的要求。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学的浦侃裔教授（通讯作者）在国际权威杂志Adv. Mater.上在线发表了题为"Organic Semiconducting Agents for Deep-Tissue Molecular Imaging: Second Near-Infrared Fluorescence, Self-Luminescence, and Photoacoustics"的综述文章。文章总结了基于有机半导体材料的小分子和纳米粒子显影剂在深层组织光学成像中的应用；重点讨论了通过优化分子设计和材料制备等策略来提高显像剂的成像的组织穿透能力和灵敏度；并最后展望了现阶段面临的挑战和未来潜在的机遇。

【图文导读】

NIR-Ⅱ荧光成像

NIR-Ⅱ荧光成像主要利用1000-1700 nm波长范围的光子进行成像。和NIR-Ⅰ荧光成像相比，NIR-Ⅱ荧光成像具有更少的光散射和更低的组织自发荧光，因此具有更高的成像信噪比和穿透深度。

自发光成像

自发光成像由于无需实时光激发，可以完全避免实时光激发所造成的组织自发荧光。因此，和传统的荧光成像技术相比，自发光成像具有较低的成像背景值和较高的成像信噪比。自发光成像有三种类型：生物发光、化学发光和余辉发光。生物发光依赖于酶反应来产生光子；化学发光是通过基质与活性氧化物质之间的化学反应来产生光子；余辉发光是材料在光激发结束后，以光的形式将能量缓慢释放的发光现象。

光声成像

光声成像是一种结合光学吸收和超声波传播的新影像技术，其利用脉冲激光作为激发源，吸收体将吸收的光能量转化为热能并引起局部温度升高，从而导致热膨胀并产生压力波，即光声信号。因为声音信号在组织中的散射几乎可以忽略，所以光声成像的组织探测深度仅取决于激发光的组织穿透深度，而不像荧光成像同时取决于激发光和发射光的组织穿透深度，因此可以实现更深组织的成像。

Figure 1. 光与生物组织之间相互作用的示意图

(a). 荧光成像

(b). 自发光成像

(c). 光声成像

(d). 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱

(e). 不同生物组织的散射系数

(f). 不同小鼠器官的自荧光光谱图

Scheme 1. 用于NIR-Ⅱ荧光成像的SPs/SMs的化学结构式

Scheme 2.与SPs/SMs共沉淀制备有机半导体纳米材料的a) 小分子和b) 两亲性聚合物的化学结构式。

Figure 2. NIR-Ⅱ荧光成像

(a). SPN1的吸收和发射光谱

(b). 小鼠的股动脉NIR-Ⅱ荧光成像

(c,d). 基线扣除前后的NIR-Ⅱ荧光强度

(e). 在不同时间，红框区域内的NIR-Ⅱ荧光成像

(f). 峰值强度和心脏脉搏之间的拟合曲线

(g). SMN3的吸收和发射光谱

(h). 注射SM3和SWCNTs后，小鼠的NIR-Ⅱ荧光成像

(i). 注射SM3后，小鼠器官NIR-Ⅱ荧光强度的定量

(j). 注射SM3和ICG后，小鼠脑血管的荧光成像

(k). 小鼠接受NIR-Ⅱ荧光成像辅助手术切除肿瘤前后的荧光成像

(l). NIR-Ⅱ荧光成像的信噪比

Figure 3. 肿瘤的近红外生物发光成像

(a). SPNs自发光BRET-FRET示意图

(b). SPNs-BF生物发光发射光谱

(c). SPN2-BF-cRGD的生物发光成像和荧光成像

(d). c中成像图的信噪比

Scheme 3. 用于自发光成像的SPs和SMs的化学结构式

Figure 4. 近红外化学发光和荧光对药物诱导肝毒性的成像

(a). SPN3-CF检测H₂O₂和ONOO^-/^-OCl的化学发光通道和荧光通道示意图

(b). 化学发光强度随H₂O₂浓度的变化

(c). 加入ONOO^-，荧光光谱的变化

(d). 小鼠的化学发光成像和荧光成像图

(e,f). 肝脏的化学发光强度和荧光强度

Figure 5. 神经炎症的近红外化学发光成像

(a). CRET机理示意图

(b). SPNs的荧光和化学发光量子产率随能带的变化

(c). SPN7的化学发光光谱和荧光光谱

(d). 小鼠化学发光成像图

(e). 化学发光强度

Figure 6. 体内超长磷光成像

(a). SMNs超长磷光的机理

(b). SMNs归一化的磷光光谱

(c). 检测超长磷光示意图

(d). SMNs的体外超长磷光成像

(e). 注射SMN11-T后，淋巴结的超长磷光和荧光成像

(f). 淋巴结成像的信噪比

Figure 7. 分子余辉发光成像

(a). 基于PPV的SPNs余辉发光成像机理

(b). SPNs掺杂NCBS后的余辉发光和荧光的定量

(c). SPN2-NCBS5穿透示意图

(d). SPN2-NCBS5在小鼠中的余辉成像和荧光成像

(e). d中的信噪比

(f). 肿瘤成像示意图

(g). 小鼠的肿瘤成像和余辉成像

(h). 信噪比随时间的变化

(i). 生物巯基活化的余辉成像示意图

(j). 小鼠经过不同处理后的余辉成像

(k). 肝脏信噪比随时间的变化

Figure 8. 可激活的光声分子成像

(a). SPNs用于光声成像示意图

(b). ROS处理SPNs前后的光声谱图

(c). 在注射SPN8后，小鼠的PA/超声成像

(d). 在注射SPN8后，光声信号随时间的变化

(e). 基于SMN的探针用于pH传感

(f,g). SMN的肿瘤光声成像

(h). 光声信号随SMN16注射时间的变化

Scheme 4. 用于光声成像的SPs和SMs的化学结构式

Figure 9. 掺杂放大光声成像

(a). SPNs通过PET的光声成像示意图

(b). SPN溶液在离心管中的荧光信号和光声信号

(c). SPN溶液在激光照射300秒之后的红外图

(d). 肿瘤光声成像

(e). 光声信号随时间的变化

Figure 10. 表面修饰放大光声成像

(a). 通过表面修饰的SPNs光声成像示意图

(b). SPN15和SPN15-SiO₂在不同浓度的光生成像

(c). 通过波函数和格林函数来模拟光声成像信号

(d). SPN15和SPN15-SiO₂的COMSOL模拟示意图

(e). SPNs表面温度的模拟

(f). SPNs表面光声信号的模拟

Figure 11. 自组装增强光声成像

(a). 自组装增强光声成像示意图

(b). SM17的光声振幅随直径的变化

(c). BSO处理和未处理的小鼠光声成像

(d). BSO处理和未处理的小鼠中，光声信号振幅随时间的变化

Figure 12. NIR-Ⅱ光声成像

(a). SPN11-Ⅰ和SPN16-Ⅱ的吸收光谱

(b). SPN11-Ⅰ和SPN16-Ⅱ的光声谱图

(c). 含有不同浓度SPN16-Ⅱ的凝胶的图像

(d). 含有SPN16-Ⅱ的凝胶的光声图像

(e). PA信噪比随时间的变化

(f). SPN16-Ⅱ的体内光声成像

(g). f中的信噪比

【结论与展望】

和传统的近红外成像相比，NIR-Ⅱ荧光成像具有较少的光与组织的相互作用，自发光成像可消除实时光激发引起的自发荧光，以及光声成像通过检测基本无散射的声音信号，因此大大提高了成像信噪比以及组织穿透深度。尽管已有诸多基于有机半导体材料的显像剂被开发出来，并取得了优异的成像性能，但是还有诸多问题亟待攻克与解决，比如进一步提高NIR-Ⅱ荧光显像剂的量子产率 ，开发可激活的NIR-Ⅱ荧光和光声显像剂以及多功能分子显像材料等。未来将会有更多更优成像性能的显影剂用于深层组织成像的材料被开发出来。

文献链接：Organic Semiconducting Agents for Deep-Tissue Molecular Imaging: Second Near-Infrared Fluorescence, Self-Luminescence, and Photoacoustics (Adv. Mater., 2018, DOI：10.1002/adma.201801778)

课题组介绍：

浦侃裔 (Pu Kanyi) 教授现为新加坡南洋理工大学（QS World University Rankings #12）化学与生物医学工程学院(SCBE)副教授。目前的研究方向侧重于有机光学纳米探针在疾病诊疗与药物毒性检测中的应用，涉及智能响应型活体荧光、光声成像，纳米医药，光热调控离子通道与基因表达等研究。首次提出的可降解共轭聚合物用于余辉分子成像(molecular afterglow imaging)近期发表于Nature Biotechnology。自2015年6月成立至今，该团队已在国际主流期刊上发表高水平文章50多篇（包括Nat. Biotechnol., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett.等）。浦侃裔教授至今累计发表高档次文章100多篇，SCI H-index = 48。

课题组主页：http://www.ntu.edu.sg/home/kypu/index.html

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7. Qingqing Miao, Kanyi Pu et al. Near-infrared fluorescent molecular probe for sensitive imaging of keloid. Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57,1256-1260.
8. Yuyan Jiang, Kanyi Pu et al. Dual-peak absorbing semiconducting copolymer nanoparticles for first and second near-infrared window photothermal therapy: a comparative study. Adv. Mater., 2018, 30, 1705980.
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10. Houjuan Zhu, Kanyi Pu et al. Oxygenic hybrid semiconducting nanoparticles for enhanced photodynamic therapy. Nano Lett., 2018, 10, 586-594.
11. Qingqing Miao, Kanyi Pu et al. Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles. Nat. Biotechnol., 2017, 35, 1102-1110.
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19. Yan Lyu, Kanyi Pu et al. Intraparticle molecular orbital engineering of semiconducting polymer nanoparticles as amplified theranostics for in vivo photoacoustic imaging and photothermal therapy. ACS Nano, 2016, 10, 4472–4481.

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。