Adv. Mater.报道: 又一重大突破！NIR AIEgens助力深部脑血管和肿瘤血管造影

【背景介绍】

众所周知，血管在人体生命活动中起着至关重要的作用，许多疾病的发生和发展都与血管系统息息相关。其实，实体瘤的生长和转移中所需要的营养物质和氧气都是通过肿瘤微环境中的血管递送。肿瘤血管通常具有渗漏、扩张和曲折等异常功能和结构，并且肿瘤血流中的异质性会增加。因此，破坏肿瘤血管以剥夺氧气和营养物质供应的抗血管生成疗法是一种新兴的抗肿瘤方法。但破坏肿瘤血管系统可能不利于通过血管向肿瘤组织递送化疗药物。除了肿瘤微环境血管之外，许多心脑血管疾病也与脑血管异常密切相关。因而有效识别和监测脑和肿瘤血管系统结构、形态和动态变化将为相应疾病诊断治疗提供有用信息。目前常用的肿瘤造影方法（包括核磁共振成像，CT成像等）成像分辨率较低，通常只能显示肿瘤的宏观形态和大小变化，并不能准确监测肿瘤内部微环境的结构变化和动态活动。荧光显微成像，尤其是双光子荧光显微术（2PFM），因其使用近红外区域（NIR）的激发光而有更深的组织穿透和成像效果。近年来利用进红外二区（NIR-II）的激发光已经展现出巨大的深层组织成像优势。相比于传统的近红外一区（NIR-I）激发光，NIR-II的光具有更深的组织穿透能力和更小的组织背景自发荧光。因此，NIR-II激发下的2PFM有望实现体内肿瘤深部血管成像。利用NIR-II激发2PFM，需要荧光分子在长波长区域有较好的吸收，并且在近红外区域有高量子产率的荧光发射。目前被美国食品药品监管局（FDA）批准的用于临床应用的近红外荧光分子，吲哚菁绿（ICG）和亚甲蓝（MB），存在光稳定性差和易被清除的缺点，尤其是聚集时会出现猝灭（ACQ）效应。因此，开发具有长波长吸收和发射特性的NIR-II可激发的，并且具有聚集诱导发光（AIE）特性的荧光分子，将在体内深部肿瘤成像中拥有广阔的应用前景。

【成果简介】

近日，新加坡国立大学的刘斌教授和南京工业大学刘杰教授（共同通讯作者）联合报道了一种具有长波长吸收和聚集诱导NIR发射的高亮度荧光团（BTPETQ）用于NIR-II（1200 nm）激发下对小鼠大脑和肿瘤血管实现双光子荧光（2PF）活体成像。通过纳米沉淀法制备的BTPETQ点在水介质中尺寸均匀，荧光量子产率高达19±1%。用BTPETQ点标记小鼠大脑血管网络结构的2PF成像展示了一个深度为924 μm的三维血管网络。在BTPETQ点标记的肿瘤血管造影中，与正常组织中的血管相比，肿瘤血管显示出增强的双光子荧光，这可能是由于肿瘤血管特殊的渗漏结构和增强的异质性导致的。这种明显的造影差异有助于识别和监测正常组织血管与肿瘤组织中的变异血管，为肿瘤的检测以及术后微小残余肿瘤组织的高灵敏检测提供帮助。此外，通过对比分析同一肿瘤组织在NIR-I和NIR-II激发下的双光子荧光成像，证明了NIR-II激发光在更深层组织和更高信噪比成像中的巨大优势。本研究强调了开发NIR-II区激发的高效NIR荧光团用于体内深层组织和高对比度肿瘤成像的重要性。研究成果以题为“NIR-II-Excited Intravital Two-Photon Microscopy Distinguishes Deep Cerebral and Tumor Vasculatures with an Ultrabright NIR-I AIE Luminogen”发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。第一作者为新加坡国立大学王少伟博士，通讯作者为新加坡国立大学刘斌教授和南京工业大学刘杰教授，合作者包括新加坡科技局Chi Ching Goh博士和Lai Guan Ng博士。

【图文解读】

图一、BTPETQ的结构和性质
（a）BTPETQ的化学结构和BTPETQ点合成的示意图；

（b）BTPETQ在不同体积分数的THF/水中的光致发光（PL）光谱；

（c）在THF/水混合物中BTPETQ的归一化PL强度；

（d）BTPETQ点在水介质中的尺寸分布；

（e）BTPETQ点在水介质中的吸收和荧光光谱；

（f）基于单个纳米点计算的BTPETQ点的双光子吸收截面（σ₂）；

（g）在相同的飞秒激光照射下，BTPETQ点、Qtracker 705和Alexa Fluor 647的归一化双光子荧光强度。

图二、BTPETQ点标记的小鼠脑血管网络的活体成像
（a）在NIR-II（1200 nm）激发下，不同深度区域的脑血管网络的3D重构双光子荧光图像；

（b）在NIR-II（1200 nm）激发下，从0-924 μm深度的脑血管网络的3D重构双光子荧光图像；

（c-d）在NIR-1（920 nm）（c）和NIR-II（1200 nm）（d）激发下，不同深度的相同脑血管的双光子荧光图像；

（e）（c）和（d）中深度为500和788 μm的图像的归一化线强度分布。

图三、BTPETQ点在体内肿瘤血管中成像
（a）小鼠耳肿瘤模型的2PF活体成像示意图；

（b）具有肿瘤的小鼠耳垂直横截面图；

（c-d）正常耳真皮的三维重构SHG图像和真皮中BTPETQ点标记的正常耳血管的2PF图像；

（e）插图（c）和（d）的叠加图像；

（f-g）肿瘤真皮的三维重构SHG图像（f）和由BTPETQ点标记的肿瘤血管的2PF图像（g）；

（h）耳肿瘤边界处的血管的2PF图像；

（i）注射24 h后，在肿瘤中累积的BTPETQ点的3D重构2PF图像；

（j）LuminiCell Tracker 540标记的肿瘤血管的3D重构2PF图像；

（k）插图（i）和（j）的叠加图像。

图四、NIR-I和NIR-II激发下，BTPETQ点对深层肿瘤成像的对比分析
（a）NIR-II和NIR-1激发下，在不同深度标记肿瘤血管的BTPETQ点的2PF图像；

（b-c）NIR-II（b）和NIR-1（c）激发下，相同肿瘤的肿瘤血管系统网络的3D重构2PF图像；

（d）插图（a）中深度为50、200和300 μm的图像的归一化线强度分布；

（e）NIR-II和NIR-1激发下，不同深度的肿瘤血管系统的2PF图像的SBR；

（f）在注射BTPETQ点后不同时间点的3D肿瘤2PF图像；

（g）注射BTPETQ点24 h后，由LuminiCell Tracker 540标记的肿瘤血管的2PF图像；

（h-i）NIR-1（h）和NIR-II（i）激发下，在肿瘤中累积的BTPETQ点的3D 2PF图像。

【小结】

综上所述，作者设计并合成了具有NIR-I发射的高效AIE发光团（BTPETQ），并且其在NIR-II区激光激发下实现了小鼠脑和肿瘤血管的活体双光子荧光成像。合成的BTPETQ点具有良好的水分散性、高光稳定性和生物相容性，在600-1000 nm的明亮NIR-I区发射和19±1％的高量子产率。高双光子亮度使得BTPETQ点标记的小鼠脑血管网络的可视化在NIR-II激发下具有924 μm的超大深度。在小鼠肿瘤模型中，BTPETQ点染色的肿瘤血管显示出增强且独特的双光子荧光，有助于区分肿瘤血管与正常血管。在NIR-II激发下证实了具有大深度和高信噪比的深部肿瘤血管网络的无创和实时活体成像。此外，通过NIR-II激发的双光子成像监测静脉内注射后肿瘤中BTPETQ点的外渗和累积，其3D图像清楚地显示了超过900 μm深度的肿瘤组织中荧光染料的的分布。总之，该工作突出了NIR AIEgens在NIR-II光激发下进行有效的活体深部肿瘤成像能力。

文献链接：NIR-II-Excited Intravital Two-Photon Microscopy Distinguishes Deep Cerebral and Tumor Vasculatures with an Ultrabright NIR-I AIE Luminogen.（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904447）

通讯作者简介

刘斌，新加坡国立大学教授，新加坡国立大学副校长（主管科研），化学与生物分子工程系系主任，新加坡工程院院士，亚太材料科学院院士，英国皇家化学会会士。 ACS Materials Letters执行主编, 同时担任Advanced Materials and Advanced Functional Materials 等多个杂志的编委。致力于共轭聚合物发光材料、聚集诱导发光材料等在生物医学及能源中的应用研究，其成果多次发表在国际一流期刊，h-因子为 82 （Google Scholar），连续多年荣获科睿唯安“高被引科学家”称号。其多项研究成果实现产业化并创立了 LuminiCell 公司。个人主页：http://www.chbe.nus.edu.sg/faculty/cheliub。课题组主页：http://cheed.nus.edu.sg/stf/cheliub/。可关注 Wiley 对刘斌教授的人物访谈：与光打交道的科学家——新加坡国立大学刘斌教授访谈：

http://www.materialsviewschina.com/2019/03/33902/

刘杰，南京工业大学教授。2005年于兰州大学获学士学位，2010年于华南理工大学获博士学位。随后赴新加坡国立大学刘斌教授课题组进行博士后研究工作。2018年4月正式加入南京工业大学先进材料研究院（IAM）。已在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Biomaterials, Small, Chem. Commun.等期刊发表论文50余篇。目前主要从事近红外二区荧光探针的开发及其在肿瘤和神经退行性疾病中的应用。

刘斌团队近期在双光子成像领域的成果：

Wang, S.; Hu, F.; Pan, Y.; Ng, L. G.; Liu, B.*, Bright AIEgen–Protein Hybrid Nanocomposite for Deep and High Resolution In Vivo Two-Photon Brain Imaging. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902717.

Wang, S.#; Wu, W.#; Manghnani, P.; Xu, S.; Wang, Y.; Goh, C. C.; Ng, L. G.; Liu, B.*, Polymerization Enhanced Two-Photon Photosensitization for Precise Photodynamic Therapy. ACS nano 2019, 13, 3095–3105.

Wang, S.; Liu, J.; Feng, G.; Ng, L. G.; Liu, B.*, NIR‐II Excitable Conjugated Polymer Dots with Bright NIRI Emission for Deep In Vivo Two-Photon Brain Imaging Through Intact Skull. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808365. (Cover Feature)

Zhen, S.#; Wang, S.#; Li, S.; Luo, W.; Gao, M.; Ng, L. G.; Goh, C. C.; Qin, A.; Zhao, Z.*; Liu, B.*; Tang, B. Z.*, Efficient Red/Near-Infrared Fluorophores Based on Benzo [1,2-b:4,5-b'] dithiophene 1,1,5,5-Tetraoxide for Targeted Photodynamic Therapy and In Vivo Two-Photon Fluorescence Bioimaging. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706945. (Cover Feature)

本文由CQR编译。

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