唐本忠院士团队：聚集诱导发光新突破，首次在非人灵长类动物实现1.5厘米深腋动脉血管近红外二区荧光成像

高分子科技

2020-12-29

导读：AIE探针在非灵长类动物体内的急性毒性和成像应用，对推动AIE探针的生物医学应用和临床转化研究具有重要意义。

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来源：Research科学研究

香港科技大学唐本忠院士团队、中科院深圳先进技术研究院郑海荣研究员团队、南方科技大学李凯教授团队联合攻关，首次在非灵长类动物上研究了聚集诱导发光探针的急性毒性，实现了1.5厘米深腋动脉血管的近红外二区荧光成像，相关工作以“Centimeter-Deep NIR-II Fluorescence Imaging with Nontoxic AIE Probes in Nonhuman Primates” 为题发表在Research上（Research, 2020, DOI: 10.34133/2020/4074593）。

研究背景

聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE) 类材料是唯一一种由中国科学家原创的新材料体系，被Nature誉为纳米光学革命四大材料之一。经过20年的发展，AIE发光材料已经在生物医学领域得到了广泛研究。但是，到目前为止，AIE材料还未进入临床，其主要原因之一是缺乏对AIE材料毒性的系统评估和成像性能的深入研究。非人灵长类动物与人类之间有着密切的进化关系，为AIE探针的临床转化研究提供了绝佳的动物模型。

研究进展

本研究通过粤港两地科学家联合攻关，成功研制了具有典型AIE发光行为的近红外二区发光探针，其荧光中心发光波长为1050 nm，荧光量子产率为~10%，颗粒尺寸为~35 nm，表现出良好的单分散性。体外细胞实验证实400 µg mL^-1浓度AIE探针与人脐静脉内皮细胞孵育24小时，细胞活力维持在90%以上，并且不会引起红细胞溶血，证实了AIE探针具有良好的细胞相容性。

图 1 AIE探针的表征和体外生物相容性评价

本研究选用了体重3~4 Kg，年龄4~5岁的雄性食蟹猴作为非人灵长类动物模型，设计了剂量递增实验，系统评估了AIE探针的急性毒性。探针累积注射剂量为16 mg/Kg（换算成人体注射剂量为5 mg/Kg），该累积注射剂量是FDA批准的吲哚菁绿染料（Indocyanine green, ICG）静脉注射剂量的10倍（ICG人体注射剂量：0.5 mg/Kg）。在35天的实验周期内，测定了不同时间点食蟹猴的生理参数、血常规、血生化等指标。统计分析表明：在本实验条件下，AIE探针不会引起炎症、肝损伤和肾损伤。同时，HE染色病理分析显示AIE探针不会引起食蟹猴心肌纤维异常，肝脏炎症，肺纤维化，组织坏死，肾小球异常等。上述结果证实了AIE探针在合理注射剂量范围内，在食蟹猴体内不会引起急性毒性，具有良好的生物相容性。

图2 AIE探针注射到食蟹猴体内不同时间点测得的血液学和血清生化指标的结果。

接下来，初步研究了AIE探针的生物分布和代谢机制。分别收集了食蟹猴的尿液和粪便，安乐死其中一只食蟹猴后收集了主要器官，进行了荧光半定量分析。结果发现：AIE探针进入食蟹猴体内，主要分布在肝脏、脾脏和淋巴结，其他器官未检测到荧光信号。在粪便中检测到AIE探针的荧光信号，尿液中未检测到。因此，他们推测AIE探针在食蟹猴体内主要经肝脾代谢，通过粪便排出体外。

图3 随机选取一只食蟹猴在静脉注射AIE探针35天后主要器官的HE染色成像结果。

最后，研究了AIE探针在食蟹猴体内的近红外二区荧光成像性能。静脉注射AIE探针后，高清晰地观察到了食蟹猴前肢、前臂内侧、头皮的血管脉络，分辨率高达0.4 mm；腋窝皮下注射AIE探针，成功地观测到食蟹猴的腋窝淋巴结。在此基础上，挑选一根食蟹猴手臂深动脉血管，通过超声多普勒成像确定了该血管位于皮下1.5 cm处。实验结果发现：通过近红外二区AIE探针可以清晰地观测到深部静脉血管，这是首次在灵长类动物上实现厘米级深部血管的近红外二区荧光成像，对推动二区荧光成像的临床应用研究具有重要意义。

图4 AIE探针用于食蟹猴血管和淋巴结的NIR-II荧光成像

未来展望

本文报道了AIE探针在非灵长类动物体内的急性毒性和成像应用，对推动AIE探针的生物医学应用和临床转化研究具有重要意义。未来AIE探针生物医学应用研究还面临以下挑战：（1）AIE探针的大规模量产；（2）AIE探针在体内的定量分布和代谢；（3）AIE探针的慢性毒性；4）前哨淋巴结和肿瘤血管的术中成像可能是未来AIE探针临床应用重要方向。