新加坡南洋理工大学Adv. Mater.:用于生物医学领域近红外光调控的纳米转换器

【引言】

远程调控生物活性有助于揭示生命系统中潜在的生理过程，并有可能研发出新的治疗方式，因此它在生物学和医学领域发挥了重要的作用。目前各种外部刺激（包括磁场、超声波、加热、电场和机械力）已经被用来调控生物体中指定部位的特定生物过程。这些刺激方法能够实现多种生物活性的调控，包括基因转染、信号通路、离子通道、蛋白质活性、细胞功能、生物分子分离和组织再生。然而，由于具有慢的磁热效应，磁场需要数十到数千秒才能产生足够的强度；并且在设置磁性设备时需要复杂的操作过程。超声处理具有较差的组织靶向性，而且可能会导致恶性细胞的转移性扩散。加热、机械力和电刺激都很难实现在时间和空间上的可控制性。因此，这些外部刺激的局限性在一定程度上限制了它们的生物医学应用。

调控生物过程的另一种替代方法是光调节。光具有无创性、高时空分辨率和易调控性等优势，因此光调控有望应用于生物医学领域的各个方面。除了用于杀死病变细胞的光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）之外，基于光调控的生物应用还包括离子通道的光热打开、光敏蛋白的光刺激、生物分子的光活化控释以及组织的光交联等等。然而，光调控技术经常遇到一些限制其潜在应用的困境。这主要是由于在光调控中广泛使用紫外光（UV）或可见光（大多数当前报道的光敏成分仅响应这些波长的光源）。紫外光和可见光由于其在活体组织中易于被吸收和散射，而具有非常浅的组织穿透深度。此外，紫外光具有很高的能量，很可能损坏生物分子（例如核酸，蛋白质和脂质），从而导致光毒性。为了解决这些问题，可以考虑用具有较低组织吸收、较少光散射和较强组织穿透能力的近红外（NIR）光源（700-1000nm）替换UV和可见光，以实现对不同生物活性的光调控。

由于生物体内很少有内源性的生物分子能够直接地响应NIR光，分子转换器对于生物活性的光调控是必不可少的。就这一点而言，具有光学性质的纳米材料已经展现出能够将光转换成各种形式的刺激因素从而调控生物过程或者生物分子活性的潜力。例如，上转换纳米颗粒（UCNP）可以将NIR光转换成与光敏成分或蛋白质离子通道的吸收光谱相匹配的UV和可见光。有机半导体纳米颗粒、氧化石墨烯、碳纳米管和金属纳米颗粒可以转换NIR光以产生局部热量，从而实现光热刺激对温度敏感的生物行为。此外，在NIR光照射下，基于光敏剂的纳米颗粒能够产生活性氧自由基（ROS）以诱发活体中的生化反应。

【成果简介】

在这篇综述中，新加坡南洋理工大学浦侃裔教授课题组总结了用于近红外光调控的光学纳米转换器的最新研究进展，包括神经元、基因表达和视觉系统的光调控以及光化学组织粘合。在文章中，作者讨论了纳米转换器的设计原理、光学性质以及NIR光介导的光调控的作用机制。最后，该文章给出了一个简短的总结，并讨论了该领域目前的挑战和前景。该成果以题为“Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.光学纳米转换器的近红外光调控应用汇总

(a).神经元的光调控

(b).基因表达的光调控

(c).视觉系统的光调控

(d).光化学组织粘合

Figure 2.神经系统活性的光遗传调控

(a).UCNP介导的NIR上转换光遗传示意图

(b).在980nm激发下，UCNP的发射光谱。插图：UCNP的上转换发射强度随激发强度的变化

(c).用于测量UCNP介导的深部脑组织NIR上转换的体内纤维光度测定示意图

(d).在不同距离的980nm NIR激光照射下VTA部位的上转换发射光谱

(e).发蓝光的NaYF₄:Yb/Tm@SiO₂ UCNP的示意图

(f).UCNP介导的NIR光刺激VTA的小鼠体内实验示意图

(g).c-Fos阳性神经细胞的百分比

(h,i).在不同刺激条件下，腹侧纹状体中的瞬时DA浓度

(j).在（h）和（i）所示的五种条件下经颅刺激后15秒内腹侧纹状体中的累积DA释放量

(k).发绿光的NaYF₄:Yb/Er@SiO₂ UCNP的示意图

(l).在四种不同条件下经颅NIR光照射后海马体的共聚焦荧光图像

(m).在（1）所示的四种不同条件下c-Fos的表达

Figure 3. 神经细胞活性的光热调控

(a).SP1和SP2的化学结构

(b).SPN和SPNbc的合成示意图

(c).SPN1，SPN2和AuNR的吸收图谱

(d).SPN1bc处理后ND7/23细胞和HeLa细胞的荧光图像

(e).SPNbc控制的光热激活神经元中TRPV1离子通道的示意图

(f).在808nm激光照射之前和照射2秒之后，SPN1bc或SPN2bc处理后的ND7/23细胞或HeLa细胞的荧光图像

(g).Fluo-8的荧光强度随激光照射时间的变化

(h).Fluo-8的荧光强度随着激光打开和关闭的变化

Figure 4.光遗传纳米平台用以实现细胞内Ca²⁺依赖性基因表达的远程光调控

(a).链霉抗生物素蛋白修饰的UCNP与基因编辑的ORAI1 Ca²⁺通道之间的相互作用示意图

(b).由NIR光照射引发的体内NFAT依赖性荧光素酶表达的示意图

(c).移植表达NFAT-Luc的HeLa细胞（左）、表达LOVSoc和NFAT-Luc（中间和右）的HeLa细胞后经过980nm激光照射（左和右）后BALB/c小鼠的生物发光成像。红色圆圈表示细胞移植区域

(d).NIR刺激引起的Opto-CRAC DC细胞中Ca²⁺内流以促进未成熟的DC细胞的成熟和增强抗肿瘤免疫应答的示意图

(e).NIR激光照射肿瘤接种部位后小鼠的图片

(f).不同条件处理后肿瘤的生长曲线

(g).经治疗后小鼠肺部转移肿瘤的数量

(h).UCNP介导的光遗传纳米系统的应用示意图

(i).使用UCNP将Fas-Cib1-EGFP和Cry2-mCherry FADD构建体（1：2比例）转染到HeLa细胞中48小时并经过NIR激光照射后，Cry2-mCherry-FADD聚集到质膜上的Fas-Cib1-EGFP的时间过程

(j).经4W NIR激光或蓝光LED照射处理2小时后，HeLa细胞中裂解的聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）片段的形成

Figure 5.活细胞和动物体中基因表达的远程光热调控

(a).DSP的化学结构和自组装示意图

(b).在808nm NIR激光照射下DSP介导的基因递送和基因表达的远程光热激活的示意图

(c).经808nm NIR激光照射前后，DSP/pHSP70-EGFP纳米复合物转染后的HeLa细胞的荧光图像

(d).活体裸鼠中激光照射的示意图

(e).经808nm激光照射细胞移植部位后活体小鼠的生物发光（BL）成像

(f).经（红色）和不经（黑色）NIR激光照射，BL强度变化随时间的变化曲线

(g).TRPV1抗体修饰的CuS纳米颗粒介导的光热激活TRPV1信号通路以减轻动脉粥样硬化的示意图

(h).经TRPV1抗体修饰的CuS纳米颗粒通过光热效应引起的Ca²⁺内流后VSMC中AMPK磷酸化和LC3I和LC3II表达

(i).主动脉根部的饱和油红O染色图像

Figure 6.转基因系统的光调控

(a).NIR光介导的基于UCNP的纳米复合物的KGN和Ca²⁺螯合剂或Ca²⁺供体的细胞内控制性释放。

(b,c).皮下移植UCNP纳米复合物标记的间充质干细胞到小鼠体内后21天软骨细胞标记物（胶原蛋白II和聚集蛋白聚糖）（b）和肥大软骨细胞标记物（RUNX2）（c）的免疫组织化学染色图片

(d). 皮下移植UCNP纳米复合物标记的间充质干细胞到小鼠体内后第21天成骨细胞标记物（骨钙蛋白）和茜素红S（ARS）染色的免疫组织化学染色图片

Figure 7. UCNP介导的小鼠眼睛视觉系统的光调控

(a).在980nm NIR激光照射下UCNP的发射光谱

(b).注射PBS（左）和光感受器修饰的UCNP（pbUCNP）（右）后小鼠的视网膜的荧光图像

(c).经不同方式处理后小鼠的视杆细胞的饱和光电流

(d).明暗箱实验图解

(e).在三种不同灯箱条件下，小鼠的暗箱偏好指数

(f).任务1-5的Y形水迷宫行为实验示意图

(g).任务1的刺激方式图解

(h).小鼠光栅识别任务1的正确率

(i).不同条件下pbUCNP注射后小鼠和对照小鼠的视觉空间分辨率

Figure 8. UCNP介导的光化学组织粘合

(a).UCNP/PAAm/HA-RB纳米复合物介导的光化学组织粘合示意图

(b).猪皮的光化学组织粘合抗拉强度试验

(c).经不同方式处理后粘合组织的拉力强度

(d).小鼠体内光化学组织粘合实验示意图

(e).经不同方式处理后小鼠皮肤的图片

【小结】

利用光来远程调控生物活性的光调控提供了一种可在生物医学中广泛应用的新方法。然而，其发展潜力受到与内源性光敏感成分相匹配的紫外（UV）/可见光的浅组织穿透能力和光毒性的限制。因此，研究人员将具有更好组织穿透能力的近红外（NIR）光用于光调控。生物体内存在很少量的内源性生物分子能够吸收或发射NIR光，因此基于具有NIR光学特性的纳米转换器吸引了很多关注。在这方面，这些光学纳米材料能够将NIR光转换成UV /可见光、热或自由基，从而实现不同的光调控应用。在这篇综述中，作者总结了用于NIR光介导的生物医学领域光调控的光学纳米转换器的最新研究进展（包括神经活性、基因表达和视觉系统的光调控以及光化学组织粘合）。此外，作者还讨论了该领域目前的挑战和前景。

文献链接：

Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901607)

通讯作者简介

浦侃裔，现任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院副教授；2011年于新加坡国立大学获得博士学位，同年作为博士后加入斯坦福大学从事分子影像学研究，2015年6月以副教授受聘于南洋理工大学。

近年来，浦侃裔教授课题组主要探索有机材料在生物医学光子学中应用。目前主要(i)针对临床需求开发智能响应型活体荧光、自发光及光声成像分子探针用于早期疾病诊断;(ii) 针对基础生物医学开发基于半导体聚合物(SPN：semiconducting polymer nanoparticles)的纳米光子转换器用于在分子层面调控并了解生物过程；(iii)研究有机光学材料在肿瘤治疗中的应用。目前，该课题组已在癌症诊疗、皮肤病检测与药物毒性筛选中取得初步进展。例如，在2017年该课题组首次开创了基于可降解有机高分子纳米颗粒的分子余辉成像(MAI: molecular afterglow imaging)，并探索了其在疾病的早期诊断和治疗方面的潜在应用。该研究成果发表于国际顶级期刊Nature Biotechnology。在2019年该课题组设计了一种具有高效的肾清除效率的分子肾脏探针(MRPs: molecular renal probes)用于对药物性急性肾损伤(AKI: acute kidney injury)的体内光学成像。该探针的近红外荧光或者化学发光信号可以被AKI的前期生物标记物特异性地激活，使得该探针可以对实验小鼠肾脏内多个分子事件进行纵向成像。该研究成果发表于国际顶级期刊Nature Materials。另外，采用近红外荧光和光声等成像技术，该组实现了皮肤病、肝损伤以及肿瘤等疾病发展过程中相关生物标记物的活体检测，为疾病的早期诊断提供了有用信息。该团队研究方向也涉及智能响应型纳米医药，光热调控离子通道、基因表达和蛋白活性等相关研究。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80多篇（包括Nature Materials, Nature Biotechnology, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano等）。至今，浦侃裔教授累计发表高档次文章140多篇，SCI H-index = 59。目前，浦侃裔博士担任ACS Applied Polymer Materials 和Biomaterials Research副主编，Nano Research期刊Young Star主编，Advanced Functional Materials, Bioconjugate Chemistry, ACS Applied Bio Materials, Advanced Biosystems和ChemNanoMat等期刊编委。

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

近期代表性工作：

1. Huang, J. Li, Y. Lyu, Q. Miao, K. Pu*. Molecular optical imaging probes for early diagnosis of drug-induced acute kidney injury. Nat. Mater., 2019, DOI: 10.1038/s41563-019-0378-4.
2. Miao, C. Xie, X. Zhen, Y. Lyu, H. Duan, X. Liu, J. Jokerst, K Pu*. Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles. Nat. Biotechnol., 2017, 35, 1102-1110.
3. Jiang, J. Huang, X. Zhen, Z. Zeng, J. Li, C. Xie, Q. Miao, J. Chen, P. Chen, K. Pu*. A generic approach towards afterglow luminescent nanoparticles for ultrasensitive in vivo imaging. Nat. Commun., 2019, 10, 2064.
4. Cheng, Q. Miao, J. Li, J. Huang, C. Xie, K. Pu*. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, accepted.
5. Li, J. Huang, Y. Lyu, J. Huang, Y. Jiang, C. Xie, K. Pu*. Photoactivatable organic semiconducting pro-nanoenzymes. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4073-4079.
6. He, C. Xie, Y. Jiang, K. Pu*. An organic afterglow protheranostic nanoassembly. Adv. Mater., 2019, 31, 1902672.
7. Jiang, J. Li, Z. Zeng, C. Xie, Y. Lyu, K. Pu*. Organic photodynamic nanoinhibitor for synergistic cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 8161-8165.
8. Cui, J. Huang, X. Zhen, J. Li, Y. Jiang, K. Pu*. Semiconducting polymer nano-prodrug for hypoxia-activated synergetic photodynamic cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 5920-5924.
9. Lyu, D. Cui, J. Huang, W. Fan, Y. Miao, K. Pu*. Near-infrared afterglow semiconducting nano-polycomplexes for multiplex differentiation of cancer exosomes. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 4983-4987.
10. Jiang, P. Upputuri, C. Xie, Z. Zeng, A. Sharma, X. Zhen, J. Li, J. Huang, M. Pramanik, K. Pu*. Metabolizable semiconducting polymer nanoparticles for second near-infrared photoacoustic imaging. Adv. Mater., 2019, 31, 1808166.
11. Li, K. Pu*. Development of organic semiconducting materials for deep-tissue optical imaging, phototherapy and photoactivation. Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 38-71.

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。

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