在生物医学成像领域，分子成像技术的发展极大地推动了对生物学过程的理解和疾病的诊断与治疗。然而，传统的成像方法存在一些固有的局限性，如灵敏度低、光漂白现象严重、需要高功率激发光源以及长时间采集图像等问题。这些问题限制了成像技术在活体实时监测中的应用。因此，开发新型的成像材料和技术显得尤为重要。
湖南大学张晓兵/宋国胜教授团队设计开发了一种新型的纳米粒子——TAD-NPs（基于三蒽衍生物的纳米粒子），以实现超高亮度和超快速的余辉成像。通过优化纳米粒子的结构和性能，研究人员希望解决现有有机余辉纳米粒子存在的问题，如发光强度不足、光稳定性差等，从而实现深组织成像、快速成像以及对生理病理过程的准确监测。
TAD-NPs是通过纳米沉淀法（nanoprecipitation）制备。具体步骤如下：合成三蒽衍生物（TAD），TAD是一种电子富集的有机分子，能够吸收光能并储存，随后以余辉的形式释放能量。纳米沉淀，将合成好的TAD溶解在有机溶剂中，然后迅速加入水相中，通过溶剂置换形成纳米粒子。为了提高纳米粒子的生物相容性和靶向能力，还加入了DSPE-PEG（二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇）和PSMA（前列腺特异性膜抗原）等表面修饰剂。
TAD-NPs的发光机制主要包括两个途径：Type I 电子转移路径，TAD分子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态。激发态的TAD分子与三线态氧气（3O2）发生反应，形成过氧加合物（EPOs）。这些过氧加合物逐渐分解，释放出光子，产生余辉发光。Type II 能量转移路径，TAD分子吸收光能后，能量直接传递给周围的氧气分子，形成单线态氧气（1O2）。单线态氧气再与其他分子反应，最终释放出光子，产生余辉发光。
通过多种表征手段，研究人员对TAD-NPs的物理化学性质进行了详细研究：动态光散射（DLS）结果显示，TAD-NPs的水动力直径约为60纳米。透射电子显微镜（TEM）观察到纳米粒子呈球形，分散均匀。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱显示，TAD-NPs在可见光区域有明显的吸收峰，并且在600-750纳米范围内有强烈的荧光发射。余辉光谱与荧光光谱相似，表明TAD-NPs具有稳定的发光特性。与常用的DAPD-NPs相比，TAD-NPs的余辉发光强度高出约500倍，且在极低的激发功率（58 μW/cm²）下仍能保持高效的发光性能。
为了验证TAD-NPs在生物医学成像中的应用潜力，研究人员进行了细胞和动物水平的生物学评价，通过共聚焦荧光显微镜观察，TAD-NPs能够有效进入细胞内部，主要通过脂筏介导的内吞途径。细胞毒性实验表明，TAD-NPs在不同细胞系中均无明显毒性，具有良好的生物安全性。在小鼠模型中，TAD-NPs表现出优异的肿瘤靶向能力。通过静脉注射后，TAD-NPs主要在肿瘤部位积累，能够在深达6厘米的组织中实现清晰成像。此外，TAD-NPs还能够在短时间内完成成像（最短0.01秒），并且在多次激发后仍保持稳定的发光性能，显示出优异的光稳定性。
TAD-NPs的高效余辉发光特性使其在深组织成像、快速成像和活体动态监测等方面展现出巨大的应用潜力。特别是，TAD-NPs能够在极低的激发功率下工作，避免了光漂白现象，适用于长时间、多次成像。此外，TAD-NPs还可以用于监测免疫治疗效果，例如通过检测肿瘤部位的颗粒酶B活性来评估免疫细胞的激活状态。
该研究开发的TAD-NPs不仅在技术和性能上实现了突破，而且在实际应用中也展现了广泛的应用前景，有望成为未来生物医学成像的重要工具。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41551-024-01274-8
