【分析】湖南大学宋国胜和张晓兵JACS：长余辉分子成像探针设计- 大数跨境

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2023-03-21

导读：湖南大学宋国胜教授和张晓兵教授团队报道了一个基于花菁染料（HD）的有机余辉分子平台，并将其应用于活体的高对比度成像研究中。

长余辉成像技术作为一种基于余辉发光的新型光学成像技术，近年来引起了越来越多的关注，已被广泛应用于活体成像研究中。由于不依赖于激光实时照射，长余辉成像能够克服来自生物体自发光背景的干扰，对于实现相关疾病标志物的高灵敏度检测和低背景成像具有重要意义。目前的余辉成像材料主要是纳米材料，且普遍缺乏可调节光学性能的设计位点，不利于构建可激活的余辉发光探针，也阻碍了余辉成像技术在分析检测和生物传感领域的应用。尽管这些余辉材料可以通过掺杂其他响应分子，并借助能量转移机制设计成可激活的余辉纳米探针，但这些纳米探针通常包括多种成分和复杂的设计，且不易从机体快速清除，不利于潜在的生物成像研究及临床应用。相比之下，有机小分子具有结构简单、易代谢等特点，在余辉探针的设计中具备强大的潜力和应用前景。然而，目前基于有机分子的可激活余辉成像体系却很少有报道。

基于此，湖南大学宋国胜教授和张晓兵教授团队报道了一个基于花菁染料（HD）的有机余辉分子平台（如图1），并将其应用于活体的高对比度成像研究中。作者首先合成了一系列不同卤素取代的HD分子，研究了其荧光、余辉发光与单线态氧（¹O₂）产生能力之间的关系，筛选获得了余辉发光能力最强的候选分子HD-Br。并以HD-Br分子为研究对象，详细探讨了该类余辉发光分子的发光机理（如图2），简述如下：在激光照射下，HD-Br中的不稳定双键首先与产生的¹O₂发生级联光化学反应，形成内过氧化物中间体（EPOs），该中间体不能长时间稳定存在，会缓慢地将储存的能量转换成光子的形式释放，从而产生余辉发光。

图1. 基于花菁的激活型有机余辉分子探针平台的设计思路

图2. HD的余辉发光机理研究

接下来，为了验证该余辉发光分子在余辉成像探针设计中的通用性，作者构建了三个可激活分子余辉探针（MAPs），分别用于对pH值、超氧阴离子（O₂^•−）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）进行定量检测和余辉成像。值得一提的是，MAPs采用了“四位一体”的分子设计，通过将刺激响应单元、¹O₂生成单元、¹O₂捕获单元和发光单元集成到一个探针中，显著地提高了探针的灵敏度。

最后，为了验证MAPs在活体成像中的优越性，作者还将其应用于药物性肝损伤的高对比度余辉成像研究中。如图3所示，在余辉成像模式下，MAPs能够实时报告肝损伤过程中氧化应激的发生和亮氨酸氨基肽酶水平的上调。重要的是，这种非侵入性的无创余辉成像手段使得MAPs可以清晰地观察到药物诱导的肝损伤，且明显早于临床上常用的血清学检测和组织解剖学观察的方法，表明其在肝损伤早期诊断中的具有一定的临床应用前景。

图3. MAPs在药物性肝损伤中的早期诊断研究

这一工作发表于Journal of the American Chemical Society，第一作者为湖南大学博士后刘永超，通讯作者是湖南大学宋国胜教授和张晓兵教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

“Four-in-one” design of hemicyanine-based modular scaffold for high-contrast activatable molecular afterglow imaging

Yongchao Liu, Lili Teng, Xiao-Feng Lou, Xiao-Bing Zhang* and Guosheng Song*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5134–5144, DOI:10.1021/jacs.2c11466

作者介绍

宋国胜，湖南大学化学化工学院教授。入选教育部“长江学者奖励计划”青年项目，湖南省“芙蓉学者奖励计划”特聘教授，科睿唯安交叉学科“全球高被引科学家”。研究领域：活体分子影像（光声成像、长余辉成像、化学发光成像、核磁成像等）、诊疗探针、生物材料、肿瘤治疗增敏剂的开发与应用。相关成果发表在Nat. Biomed. Eng.、Chem、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem.、Chem. Rev., Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Anal. Chem.、CCS Chem.、Chem. Sci.等领域权威期刊。实验室招聘博士后研究人员，诚邀具有化学、材料、生物或医学学科背景的青年才俊加盟！

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