肖泽宇/陆伟/方晓红团队开发小分子自增强拉曼散射技术实现高灵敏、无基底的活体拉曼成像

2024-08-23 21:05   英国  

研究背景

      拉曼光学成像技术具有“超窄指纹图谱”的高特异性、信号不易光漂白、易实现多重成像等优势,已广泛应用于化学、材料和生物医学领域。然而,小分子探针的拉曼信号弱,其散射截面通常每分子仅10-28-10-30 cm2。为增强信号,目前主要依靠以无机材料(如金、银)等作为基底的表面增强拉曼散射(SERS)效应。SERS基底可以将探针信号放大108-1011倍,实现超灵敏成像。然而,SERS基底材料的生物安全问题极大阻碍了拉曼影像技术的活体生物医学应用及临床转化。
研究结果与展望
      肖泽宇教授与陆伟教授、方晓红研究员团队合作,揭示一类以双噻吩基取代作为供体(D)、苯并双噻二唑作为受体(A)的D-A型有机小分子,无需SERS增强基底,仅通过分子自身堆叠(self-stacking)增强拉曼信号。机理研究表明,该类小分子具有平面内多环振动和π堆积的特点,能够在空间中有序自堆叠,使其相邻分子间D和A单元的间距在3.6Å左右,实现面内和面外相邻分子间电荷转移,并连同分子内电荷转移形成三维电荷转移,显著增加分子自身极化率和共振拉曼散射(图1a-c)。此类增强拉曼散射被定义为堆叠诱导电荷转移增强拉曼散射(SICTERS)。
      SICTERS探针表现出了优异的拉曼增强效果,其拉曼散射截面是相同粒径下SERS金探针的1350倍。SICTERS探针在活体成像灵敏度、分辨率和深度方面均优于SERS金探针。尤其是,SICTERS探针实现对血管和淋巴管的高分辨率非侵袭性拉曼成像,这是SERS金探针难以实现的(图1d)。此外,SICTERS探针在组织脏器中的分布水平随时间推移显著降低,在体内可代谢消除;而SERS金探针在组织脏器中长期滞留,难代谢消除。
      SICTERS增强解决了长久以来活体拉曼成像必需依靠SERS增强基底,而这些基底材料存在安全性问题、难以临床应用的瓶颈。SICTERS作为一种增强拉曼散射的新机理,为指导高灵敏、生物安全的拉曼成像探针的分子设计提供了新思路,有望推动拉曼影像的活体生物医学应用及临床转化。
图1. 堆叠诱导电荷转移增强拉曼散射(SICTERS)机理及其用于高灵敏、无基底的小分子拉曼活体成像


作者简介

      上海交通大学医学院肖泽宇教授为论文通讯作者,课题组主要致力于活体拉曼成像分析及诊疗药物的研究。复旦大学药学院陆伟教授、中国科学院杭州医学研究所方晓红研究员为共同通讯作者。陆伟教授从事药物递送研究和创新药物与疫苗制剂的研发。方晓红研究员从事单分子光学分析的研究。博士生高帅、博士生张永明和助理研究员崔凯为该论文第一作者。

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