华东理工大学Advanced Materials：自组装高分子对肿瘤乏氧的定量检测

【前言】

比率光学成像有望实现癌细胞诱导的缺氧微环境的无创可视化，因为它可以通过内置校准从微观到宏观提供癌症的实时准确信息。迄今为止，肿瘤缺氧的比率光学成像的大量工作依赖于基于双色透射比的系统，这不可避免地会损害成像精度和特异性，因为内部参考部分和感测发色团之间存在能量/电荷转移相互作用。目前，通过基于单色团的传感器和比率读数来准确诊断癌症缺氧仍然具有挑战性。

【成果简介】

在实体瘤中有一种常见现象是肿瘤供氧不足，也叫肿瘤乏氧，它与癌症的发生、发展和转移息息相关。癌细胞的异常增殖会产生局部的乏氧微环境，因此发展专一识别、高灵敏的乏氧分子探针对肿瘤诊断具有非常重要的意义。近日，来自华东理工大学的郭志前教授和朱为宏教授（共同通讯）课题组在Advanced Materials上发表文章，题为“Self‐Assembly of a Monochromophore‐Based Polymer Enables Unprecedented Ratiometric Tracing of Hypoxia”。 研究人员巧妙地构建了非芳香性团簇发光策略，首次发展了一种单荧光团内标比率型纳米荧光探针，成功地实现了对肿瘤乏氧的定量检测，为解决传统的乏氧荧光探针检测精度问题提供了一种重要研究工具。该分子探针在两个不同的波长同时分别表达对氧气惰性的荧光信号和氧气敏感的磷光信号，能完美地实现单荧光团体系对乏氧进行比率检测，有效地克服传统探针体系中能量/电子转移所引起的干扰，表现出良好的光/pH稳定性和较低的细胞毒性，在细胞和活体层面均能够实现乏氧精准检测与实时成像。

【图文导读】

图1. Pt‐TPP‐PVP₄₃₀尺寸表征和热力学稳定性

a) DLS测试；

b) TEM图；

c) 平均流体动力直径；

d) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀照片；

图2. Pt‐TPP‐PVP₄₃₀的光学性能以及它的光学响应

a) TPP‐PVP₄₃₀和Pt‐TPP‐PVP₄₃₀ 吸附图；

b) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀的氧相关发射光谱；

c) Stern - Volmer图和比率荧光/磷光响应与氧水平的线性相关性

d) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀的的可逆氧传感；

e) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀在760 nm的磷光衰减；

f) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀在660 nm的荧光衰减；

图3. Pt‐TPP‐PVP₄₃₀对乏氧的比率成像

a–c) Pt‐TPP‐PVP₄₃₀处理A549细胞的共焦图像和比率图像；

d) 不同氧水平下平均发光强度的比率；

图4. 静脉注射Pt‐TPP‐PVP₄₃₀后不同时间点荷瘤小鼠体内缺氧生物成像。

a,b) 在660 ± 20 nm和760 ± 20 nm下照片；

c,d) 解剖后主要内脏器官的荧光图像以及相应的成像窗口；

e) 注射Pt‐TPP‐PVP₄₃₀后48h小鼠体内缺氧的3D生物成像；

【总结】

这项工作的重点是如何构建一种没有共轭内参比部分的比率探针，以避免传统的基于双比率探针中的能量/电荷转移相互作用。通过借用非芳香族团簇体发光策略，开发了一种独特的基于单色团的比例纳米传感器Pt - TPP - PVP₄₃₀，最初它表现出的氧敏感Pt-TPP磷光和来自特定团簇诱导产生的另一个氧不敏感荧光发射，它能够实现比率型检测乏氧的内标参比自校正，这将是前所未有的内置自校准。正图所示，Pt‐TPP‐PVP₄₃₀独特的近红外荧光和磷光发射使得不仅在水介质中，而且在活细胞中定量和可逆地实现比率感测缺氧水平。研究人员通过巧妙地构建了非芳香性团簇发光策略，首次发展了一种单荧光团内标比率型纳米荧光探针，成功地实现了对肿瘤乏氧的定量检测，为解决传统的乏氧荧光探针检测精度问题提供了一种重要研究工具。该分子探针在两个不同的波长同时分别表达对氧气惰性的荧光信号和氧气敏感的磷光信号，能完美地实现单荧光团体系对乏氧进行比率检测，有效地克服传统探针体系中能量/电子转移所引起的干扰，表现出良好的光/pH稳定性和较低的细胞毒性，并成功对活A549细胞缺氧水平和对体内荷瘤小鼠缺氧靶向生物成像，实现了细胞和活体层面均能够实现乏氧精准检测与实时成像。

文献链接：Self‐Assembly of a Monochromophore‐Based Polymer Enables Unprecedented Ratiometric Tracing of Hypoxia, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201805735).

上述论文由博士研究生王书文和博士后顾开智在朱为宏教授和郭志前教授的共同指导下完成，并得到了田禾院士的悉心指导。近年来，朱为宏教授课题组在有机功能近红外染料领域取得了一系列重要进展：Chem. Sci., 2018, 9, 4959; Chem. Sci., 2018, 9, 6176; Chem. Sci., 2017, 8, 2115; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5334; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2219; Adv. Mater., 2016, 28, 3187。上述系列研究成果受到国家自然科学基金基础科学中心项目，优秀青年基金项目，以及国家重点研发计划资助。

团队主要成员介绍:

朱为宏教授，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，东方学者，科技部创新人才推进计划，上海市学术带头人，国家“万人计划”领军人才。现担任“影像科学与光化学”第八届常务副主编、中国感光学会第八届理事会常务理事、Dyes and Pigments国际编委等学术兼职职务。迄今已在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、等发表SCI收录论文210篇，，H指数为60，SCI引用11000余次。主持或参与国家自然科学基金、科技部“973”等科研项目25项。曾获上海市自然科学一等奖2项和国家自然科学奖二等奖1项。

郭志前教授，国家优秀青年基金获得者，青年长江学者，目前主持基金委优青、面上、霍英东青年教师基金等项目。主要从事功能性生物荧光染料创制和应用研究。针对有机荧光染料在生物医药、信息材料、环境生态等交叉领域中的应用创新问题，开展功能性荧光染料创制和应用研究，发展了系列高性能、精细化、可产品化的近红外荧光染料。迄今，已在Chem. Soc. Rev.、Nature Protocols、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等国际一流杂志上发表SCI论文60余篇，SCI他引4400余次，H指数为33。曾获上海市自然科学一等奖1项。

本文由材料人编辑部高分子组Z,Chen供稿，材料牛整理编辑。

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