在生物医学成像领域，随着分子成像技术的发展和精准医疗需求的增长，对于高灵敏度、高特异性的成像技术的需求日益增长。余辉发光材料在生物医学成像中具有潜在的应用价值，因为它们能够减少生物组织自荧光的干扰，从而提高信号与背景的比率（SBR）。然而，传统的余辉发光材料在生物成像中存在灵敏度低、光漂白严重等问题，限制了其应用。纳米技术的发展为生物医学成像带来了革命性的变化，纳米粒子可以作为载体，提高成像的精确性和深度。湖南大学张晓兵和宋国胜等人在《Nature Biomedical Engineering》杂志上以“Ultrabright and ultrafast afterglow imaging in vivo via nanoparticles made of trianthracene derivatives”为题介绍了一种新型的基于三蒽衍生物的纳米粒子，这种纳米粒子能够在极低功率的光照下发出超亮的余辉发光，为生物成像领域带来了革命性的进展。想象一下，我们的身体内部就像一个黑匣子，医生们需要一种技术来窥探里面的奥秘。传统的成像技术就像是手电筒，需要持续的光源来照亮体内的结构。但这种新型纳米粒子就像是一个自带光源的灯笼，即使在光源关闭后，它依然能够发出明亮的光芒，让我们看得更清楚、更深入。这项技术的出现，不仅仅是因为它的亮度高，更因为它的安全性和生物相容性。我们都知道，过强的光照可能会对身体造成伤害，但这种纳米粒子只需要极微弱的光照就能工作，大大减少了对组织的损伤风险。而且，它在体内的稳定性和低毒性，使得它有望成为未来临床应用的理想选择。图1 TAD-NPs和DAPD-NPs纳米粒子的合成和特性首先，揭示了余辉分子的化学结构和纳米粒子的制备过程，强调了TAD分子的电子富集特性。接着，通过透射电子显微镜（TEM）图像和动态光散射（DLS）数据，展示了纳米粒子的尺寸和单分散性。此外，吸收光谱和荧光光谱图揭示了两种纳米粒子在水溶液中的特性。最关键的是，通过IVIS Lumina XR成像系统捕获的余辉图像和强度量化，明显显示TAD-NPs在白光照射停止后具有更强的余辉发光，其强度约为常用有机余辉纳米粒子的500倍。这些结果突出了TAD-NPs在生物医学成像中的巨大潜力。电子自旋共振（ESR）谱图证实了TAD-NPs在光照下产生超氧阴离子（O2•−），而黑暗中或仅光照条件下未产生O2•−。循环伏安图显示TAD分子具有较低的首次氧化电位，表明其比DAPD分子更易失去电子。实验还测量了TAD-NPs在光照下产生的单线态氧（1O2），并发现1O2的生成与余辉发光强度相关。此外，通过基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）和密度泛函理论（DFT）计算，研究了内过氧化物（EPOs）的形成过程，为余辉发光提供了可能的形成路径。图3 TAD-NPs余辉发光纳米粒子的光学特性和性能优化图像和量化数据揭示了TAD-NPs与其他有机分子基纳米粒子相比，在相同实验条件下展现出显著更高的余辉发光强度，约是MEHPPV-NPs的500倍。TAD-NPs的余辉发光持续时间超过60分钟，半衰期约为16分钟，远长于MEHPPV-NPs的6分钟。随着光照功率密度的增加，TAD-NPs的余辉发光强度逐渐增强，且在不同的光照时间下均表现出亮度的增加。此外，TAD-NPs的余辉发光强度与浓度呈线性相关，且在极低功率密度的光照下仍能产生明亮的余辉。研究中，通过皮下注射CT-26肿瘤模型的BALB/c小鼠，使用不同功率密度的光源预照射，成功检测到肿瘤部位的强烈余辉信号。TAD-NPs在肿瘤部位的余辉信号可通过多次光照重新激活，显示出高效的再激发能力和忽略不计的光漂白现象。此外，TAD-NPs还实现了对自然行为小鼠的超快速余辉成像，观察到在单次光照后，自由活动小鼠的余辉信号持续时间超过10分钟。研究还利用TAD-NPs对胶质母细胞瘤（GBM）和胰腺肿瘤模型进行了成像，证实了其在成像原位肿瘤和评估治疗效果方面的潜力。最后，通过静脉注射TAD-NPs，成功地对小鼠颈动脉斑块进行了敏感且非侵入性的余辉成像，与正常颈动脉相比，斑块区域显示出更高的信号强度。这些结果证实了TAD-NPs在多种疾病模型中作为诊断工具的可行性和有效性。图5 TAD-BHQ纳米探针用于监测化疗后肿瘤内CTLs和NK细胞活性的成像研究该探针由能够被granzyme B切割的肽序列（IEFD）与TAD-NPs荧光团和BHQ-3猝灭剂组成，通过afterglow resonance energy transfer (ARET)实现信号的“OFF”状态。当存在granzyme B时，肽序列被切割，减少了ARET，恢复了余辉发光，实现了“ON”状态。实验显示，随着granzyme B浓度的增加，余辉发光强度逐渐增加，并与granzyme B浓度呈现线性相关。此外，TAD-BHQ对granzyme B的选择性响应表明，其在不同细胞类型中，CD8+ T细胞和NK细胞表现出更高的granzyme B水平。通过在小鼠模型中验证TAD-BHQ的体内实时余辉成像能力，结果表明化疗药物处理后的小鼠肿瘤部位在TAD-BHQ注射后显示出更强的余辉信号，与PBS处理的小鼠相比，表明TAD-BHQ能够监测这些疗法期间的granzyme B水平。图6 TAD-BHQ纳米探针用于实时监测放射治疗和免疫检查点阻断疗法后免疫反应的效果研究中，CT-26肿瘤模型小鼠接受了PBS、抗PD-L1抗体、放射治疗（RT）以及抗PD-L1抗体联合RT的治疗。治疗后，小鼠被注射TAD-BHQ纳米探针，并通过余辉成像技术监测肿瘤部位的免疫激活情况。结果显示，接受抗PD-L1抗体和RT联合治疗的小鼠在TAD-BHQ注射后，肿瘤部位的余辉信号显著增强，表明该联合治疗方案能有效地促进免疫细胞的肿瘤浸润和激活。本研究介绍了一种新型的基于三蒽衍生物的有机余辉发光纳米粒子（TAD-NPs），这些纳米粒子能够在极低功率激发下发出超亮的余辉发光，实现了深组织成像和超快速成像，同时展现出优异的生物相容性和生物安全性。研究还开发了一种智能激活的余辉纳米探针（TAD-BHQ），用于实时监测化疗、放射治疗和免疫检查点阻断疗法后的免疫反应，为肿瘤的诊断和治疗评估提供了一种创新的成像工具。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-024-01274-8
来源：BioMed科技
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