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  • DeepTech深科技
  • 2022年9月23日05时

    中国科学家成功研发1700nm激发的高亮度近红外荧光纳米探针,为脑成像打造高精度近红外二区分子体系


    正常人的大脑重量只有大约 1400 克,但是很多科学家穷其一生,都没能彻底弄清楚大脑的全部“秘密”。要想探索大脑,只用人眼远远不够,必须借助高科技“眼睛”。


    苏州大学药学院教授李盛亮课题组,正是这样一群“造眼睛”的学者。其主要瞄准针对大脑等深层组织的高分辨成像应用。旨在解决两方面问题:实现探针的高亮度、以及更大的组织穿透性。


    图 | 李盛亮(来源:李盛亮


    据介绍,如何以高精度、可视化的方式观察大脑和相关组织,成为当前的重要科学问题之一。同时,发展时空分辨的新技术仍是一项重大挑战。


    最近,面对以上科学问题,该团队为脑科学的研究提供出一个有效工具——一种可 1700nm 激发的高亮度近红外荧光纳米探针。


    (来源:ACS Nano


    借此可对脑组织进行高质量的时空分辨成像,提高对大脑运转的生物学机制、及相关疾病的发生发展的规律的深层次认识。未来,有望在脑部疾病的诊断与治疗领域发挥重要作用,同时也为开发适用于三光子显微成像技术的高亮度有机荧光探针材料提供了新思路。


    发展适用于脑成像的高亮度、高成像深度的近红外二区分子体系


    据悉,光学显微镜能够在非侵入条件下,提供组织和相关生理活动的实时图像,是生物研究、医学诊断和研究的重要工具。然而,可见光有限的组织穿透能力,让光学显微镜只能用于浅层生物组织的成像。


    近年来,多光子显微成像技术获得了巨大发展,进一步提高了光学成像的成像深度和高分辨率,使动物的深层组织活体成像成为可能。


    最近,基于共轭有机材料的双光子显微成像,已在针对深层组织的成像应用中取得了巨大进展。尽管这些共轭有机材料在深层组织中展现了优良的光活化性能,但是它们的激发波长仍然无法突破近红外一区的窗口(700-1000 纳米)。


    2013 年,康奈尔大学应用与工程物理学院教授Chris Xu和团队,报道了一个将三光子成像技术应用于小鼠大脑皮层下结构并实现高质量成像的成功案例。


    其在 1700 纳米的激发下,首次获得高达 1400 微米的组织穿透深度,这一重大突破拓展了三光子显微成像技术在更深层组织中高分辨成像应用。


    尽管如此,1400 微米的渗透深度依旧无法完全满足在大脑等更精密复杂器官的高分辨成像应用。为了进一步提升对活体组织的渗透深度,开发近红外二区长波激发、并具有高亮度的高光学活性探针是可行的解决方案之一。


    目前,在 1700 纳米的激发下,学界利用高荧光量子产率的红色荧光量子点,并结合三光子显微成像技术,已经实现了高达~2100 微米的穿透深度。


    然而,荧光量子点往往由有毒的重金属元素组成,而且会出现荧光闪烁现象,因此量子点并不是对大脑等复杂器官进行高分辨成像的首选材料。


    此外,此前Chris Xu和团队报道的荧光探针的最大发射波长仅为 630 纳米和 655 纳米。相对较短的发射波长,在一定程度上也限制了发射光子的穿透深度。


    针对上述问题,李盛亮团队开发出一种在近红外一区具有高亮度荧光发光性能的共轭寡聚物分子探针,并通过非线性光学发光行为分析,证实了探针还具有大的三光子吸收横截面。


    这意味着,结合三光子显微成像技术,可将探针材料的激发波长延长到 1720 纳米的近红外二区,能实现对小鼠大脑血管组织的高分辨活体成像,渗透深度达到 1696 微米。


    具体来说,课题组首先设计的是一类 D-π-A-π-D 构型的共轭寡聚物母体分子,通过引入 π 桥对分子内电荷转移和后续的吸光发光属性进行了优化。


    此外,通过经典的 Stille 偶联反应,该团队对共轭寡聚物的骨架结构进行了合成构筑,并通过对共轭骨架中荧光单体基团的合理搭配,获得了在近红外一区具有高亮度荧光发光性能的目标探针分子。


    进一步地,通过纳米制备技术可得到高稳定的水溶性纳米荧光探针材料,并证实了其在 1700 纳米窗口具有三光子吸收截面和三光子激发发光性能。


    当把探针材料用于活体生物组织的三光子显微成像,一副高分辨率的小鼠大脑深层血管组织图像便“诞生”了。另外,针对细胞毒性的研究证明:该荧光探针材料还具有极佳的生物相容性。


    近日,相关论文以《1700 纳米窗口近红外光激发的高亮度 π 共轭寡聚物纳米粒子用于脑深层组织三光子显微活体成像研究》(Bright Near-Infrared π-Conjugated Oligomer Nanoparticles for Deep-Brain Three-Photon Microscopy Excited at the 1700-nm Window In Vivo)为题发表在 ACS Nano 上。


    李盛亮为论文一作兼通讯作者,深圳大学博士生邓想全与程慧为共同一作,深圳大学光电工程学院特聘教授王科和香港城市大学物理及材料科学系教授李振声为共同通讯作者。


    审稿人十分肯定该工作,其表示:“该研究从分子的原创设计出发,结合三光子显微成像技术,旨在解决现有近红外二区有机分子探针的组织渗透深度和亮度不足的科学问题,作者发展了一个适用于脑成像的高亮度、成像深度可达 1696 微米的近红外二区分子体系,这是一项具有前瞻性的研究工作,将引领后续相关研究向更深度和积极的方向发展。”


    (来源:ACS Nano


    据介绍,近年来李盛亮课题组一直致力于近红外二区有机药物与探针设计,并已经获得了大量分子结构且性能优良的探针分子。但是,有机分子自身的性能瓶颈,使其吸收波长只能被限制在非常有限的范围内。


    因此,进一步突破有机分子探针吸收波长的上限,是该研究领域正面临的巨大挑战。最近几年,随着非线性光学技术的不断发展,多光子显微成像技术获得了不少技术突破。其中,双光子成像技术在近红外有机分子探针成像领域已经获得广泛认可。


    但是,双光子技术所使用的激发波长都在近红外一区,成像的深度也只仅在 600 微米左右,还远远无法达到我们对更深层组织实现高分辨成像的期望。


    “为了解决这一问题,我们将目光转移到了三光子技术上。王科老师是三光子成像研究领域优秀的青年学者,他的实验室不仅拥有我们所需要的硬件条件,而且他的团队也有开展相关科研工作的扎实基础,这些是我们所欣赏与渴求的。同样地,王老师对我们提出的想法也拥有浓厚的兴趣和期待,因此我们一拍即合,整个合作过程非常轻松和愉快。”李盛亮团队的赵琦博士表示。


    图 | 赵琦博士(来源:赵琦博士)


    “三光子技术”:让研究柳暗花明的硬科技


    从立项到成功主要分成了两个阶段,第一个阶段是构思和分子设计。事实上,该项目在李盛亮认识王科老师之前,就已具备大致雏形。


    如前所述,该工作主要受到了康奈尔大学 Chris Xu 教授此前发在 Nature Photonics上的论文的启发。而李盛亮课题组长期从事近红外、尤其是近红外二区有机纳米探针的创制工作,在此已经取得一系列的科研成果,也得到了同行的广泛认可。


    尽管近红外二区有机分子母体的设计可以千变万化,但是其性能的瓶颈决定着他们很难单单从探针设计着手在波长与亮度方面实现突破。所以,如何平衡长波激发与高亮度一直是该领域的主要科学挑战。


    同时虽然双光子技术能在一定程度上解决分子设计上的难题,但是仍然无法满足临床的实际需求。“因此,三光子技术对我们来说,可以算是柳暗花明又一村,也为我们后续的研究点亮了新的希望。”该团队表示。


    基于前期的研究成果以及在近红外二区有机纳米探针设计方面的经验,课题组通过多次尝试以及对结构的优化,终于获得了论文中报道的具有高亮度和大的三光子吸收横截面的分子结构母体。


    (来源:ACS Nano


    然后,他们将母体结构通过常规的纳米共沉淀法制备成了纳米探针。这时,项目最核心的问题来了:谁来帮助完成三光子成像的研究工作?而要想顺利推进,还需要合作者的硬件设备和技术,以及对该想法感兴趣、并具备足够的信任。


    王科老师不但对于我们的研究设计和材料都给出了高度的肯定和信任,而且在数据收集过程中,王老师提供了非常多专业的建议,使三光子成像的质量得到了大幅的提升,甚至远超我们的预期。现在我们两个课题组之间已经建立了长期合作,希望未来能够有更多深入和系统的研究与大家分享。”李盛亮团队的赵琦博士表示。


    (来源:ACS Nano


    在下一步的研究计划中,该课题组将把更多精力集中在开发分子体系上,进一步操控激发或发射波长,并进一步提高探针的荧光亮度,增加探针在更深层组织的成像分辨率。另外一方面,其也将致力于响应型或激活式探针研究。


    同时,其还打算通过向探针母核结构中安装响应原件,或者对纳米探针进行功能化的修饰,使探针在保持深层组织高分辨成像性能的同时,拥有更多智能化的属性,以满足临床应用中的个性化治疗需求。


    参考资料:
    1.S. Li,* X. Deng, H. Cheng, X. Li, Y. Wan, C. Cao, J. Yu, Y. Liu, Y. Yuan, K. Wang,* and C.-S. Lee*, Bright Near-Infrared π-Conjugated Oligomer Nanoparticles for Deep-Brain Three-Photon Microscopy Excited at the 1700-nm Window In Vivo.ACS Nano2022, 10.1021/acsnano.2c03813.