近日，苏州大学药学院李盛亮教授与深圳大学王科教授、香港城市大学李振声教授合作在ACS Nano上发表了题为Bright Near-Infrared π-Conjugated Oligomer Nanoparticles for Deep-Brain Three-Photon Microscopy Excited at the 1700-nm Window In Vivo的研究论文。
▲https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03813
在这篇论文中，他们发展了一种高亮度的近红外二区激发纳米探针应用于高深度的三光子显微脑组织成像，实现了深达1696 μm高分辨率的深部脑血管造影与成像。
李盛亮教授为该论文第一作者兼通讯作者，深圳大学博士生邓想全与程慧为共同一作，深圳大学王科教授和香港城市大学李振声教授为共同通讯作者。
▲ 李盛亮教授
大脑是生命体最为复杂和重要的主要器官，一直是人类研究探索的核心元件和关键科学难题。
如何理解大脑的生物机制以及工作原理，对于探索生命起源以及理解生物机制、疾病发生发展至关重要。
为实现上述目标，众多研究人员一直致力于开发新的大脑活体影像方法和技术，比如正电子发射断层扫描、磁共振成像等技术以及超声成像等。
▲ 正电子发射断层扫描设备
虽然上述技术都能实现对大脑的无损式在体成像，同时为临床诊疗提供一定程度的影像学信息。
但是，上述技术与方法在影像精度以及空间分辨率方面存在一定程度的缺陷，同时对于纳米级别的亚细胞精细结构和功能理解无法提供有效的支持。
在过去近百年来，光学成像已经被证实为一种高分辨率和灵敏度的影像模式，但是生物组织的背景荧光干扰以及组织散射严重限制了其在深部组织的成像，同时其空间分辨率仍然有限。
▲ 光学成像的应用
因此，如何开发新的技术与探针体系实现高深度、高精度脑部影像仍是当前的重大挑战。
鉴于此，该研究首先设计合成了一种近红外一区高亮度发光的共轭探针，通过纳米制剂技术制备了高稳定性的水溶性纳米探针。
该纳米探针可在三光子1700 nm生物窗口实现有效的激发和发射，最佳激发和荧光发射分别为1720 nm和820 nm，该长波长激发和发射为深部组织成像提供了潜能。
进一步地，通过三光子显微镜技术实现了深达1696 μm高分辨率的深部脑血管造影与成像。
▲ 近红外纳米探针的高精度三光子深部脑组织成像设计原理及工作机制
与此同时，细胞毒性和活体安全性评价皆证实该纳米探针具有良好的生物安全性和兼容性。
该研究开发了一种可近红外二区1700nm激发的高亮度近红外荧光，实现了高深度的深部脑组织成像，为三光子影像探针与脑成像提供了新的思路。
具备生物安全性和兼容性
高稳定的近红外纳米探针
▲ 近红外探针合成与光学属性表征
为实现上述目标，该团队利用前期的近红外探针合成和设计基础，发展一种D-π-A-π-D构型共轭寡聚物体系，π桥的引入有利于分子内电荷转移和后续的吸光发光属性。
合成方法采用Stille偶联反应进行，分子模拟计算也证实该分子的典型HOMO和LUMO属性。
通过分子结构验证后，该所得共轭寡合物在600nm激发下具备高效的近红外发光属性，且该发光寿命为纳秒级别，是典型的荧光发光属性。
利用两亲性聚合物DSPE-PEG和经典的纳米沉淀法制备近红外纳米探针，所得纳米尺寸均匀且具备良好水溶性的纳米颗粒。
在此基础上，该纳米颗粒的高稳定性也被证实，同时纳米探针在激发光照射下仍具备良好的光稳定性。
相较于单分子探针，该纳米探针具有明显的发光光谱红移现象，可能得益于纳米颗粒内部分子探针的分子间堆积。
作者进一步采用细胞毒性评价实验证实了该纳米探针具有良好的生物安全性和兼容性。
▲ 近红外纳米探针制备与纳米、光学表征及生物安全评估
具备生物安全性和兼容性
三光子纳米探针
▲ 近红外纳米的三光子发光属性与机制
该纳米探针可在三光子1700nm生物窗口实现有效的激发和发射，最佳激发和荧光发射分别为1720nm和820nm，且非线性发光行为分析证实该发光性质具备三光子发光属性。
相比较常用的三光子探针SR101，该团队研究的纳米探针在1700nm窗口具备更高的吸收截面和发光属性，该长波长激发和发射为深部组织成像提供了潜能。
进一步地，通过三光子显微镜技术在活体小鼠模型上实现了深达1696 μm高分辨率的深部脑血管造影与成像，图像分辨率数据证实该探针所支持的成像具备高的分辨率和精确性。
与此同时，活体安全性评价皆证实该纳米探针具有良好的生物安全性和兼容性。
▲ 三光子深部脑血管造影与三维重构图像分析
高深度的深部脑成像
成果启示
近年来，苏州大学李盛亮课题组通过调控近红外光学药物与探针的分子结构与构效关系，发展了一系列具有高效近红外探针，从而实现了高性能的近红外成像与分子影像(Adv. Mater. 2022, 34, 2201263; Adv.Mater. 2022, 10.1002/adma.202204749; ACS Nano 2020, 14, 13681; Adv. Sci. 2021, 8, 2003972; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13455)。
在上述工作基础上，该团队近期与深圳大学王科教授、香港城市大学李振声教授合作，发展一种高亮度近红外属性的纳米探针体系，实现了高空间分辨率的三光子深部脑影像。
该研究的意义在于，设计合成了一种可1700nm激发的高亮度近红外荧光纳米探针，取得了高深度的深部脑成像，对于三光子探针的开发有着重要的启示作用。
同时，该工作得到了国家自然科学基金委、江苏省高校优势学科建设工程、江苏省自然科学基金、深圳市科技金融计划、广东省高等学校科技创新( 重点 ) 项目以及中国科学院与香港地区联合实验室项目的支持。
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参考文献：
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.
2.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03813
3.https://3g.163.com/dy/article/HFEL429E05329TW8.html
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