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新聞詳情

復(fù)旦大學(xué)開發(fā)出新型生物發(fā)光探針,助力追蹤轉(zhuǎn)移的腫瘤

來源:上海上儀表廠作者:上海自儀表廠網(wǎng)址:http://www.shybdj6.net

2020年9月4日消息,近日,來自復(fù)旦大學(xué)張凡教授研究團(tuán)隊(duì)(http://nanobiolab.fudan.edu.cn)在Nature Communications雜志發(fā)表了題為NIR-II bioluminescence for in vivo high contrast imaging and in situ ATP-mediated metastases tracing的文章(第一作者LingFei Lu)。該文章報(bào)道了一種新型的生物發(fā)光探針可以用于高對(duì)比度的活體成像以及體內(nèi)的ATP介導(dǎo)轉(zhuǎn)移腫瘤追蹤。
研究團(tuán)隊(duì)首先合成了一種新型七甲川菁染料FD-1029。該染料的發(fā)射波長位于近紅外第二窗口(1029 nm),且分子間具有較大的空間位阻,在較高濃度下不易發(fā)生聚集,能夠擁有較大的摩爾消光系數(shù)。在這基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移(BRET)和兩步熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)開發(fā)了發(fā)射光位于第二近紅外窗口的新型生物發(fā)光探針(NIR-II-Bioluminescence Probes, NIR-II-BPs)(圖1)

圖1 近紅外第二窗口發(fā)光的生物發(fā)光探針的制備原理及其發(fā)光過程
該探針具有良好的生物相容性,成功應(yīng)用于小鼠的血管和淋巴管的高質(zhì)量成像。與相同條件下的近紅外第二窗口熒光成像以及常規(guī)生物發(fā)光成像相比較,其信噪比提高約5倍,空間分辨率提高約1.5倍。同時(shí),由于這種能量傳遞策略的可調(diào)性,這類探針也能應(yīng)用于多通道的活體標(biāo)記成像。文中,作者們成功實(shí)現(xiàn)了荷瘤小鼠的腫瘤與瘤旁血管的多通道成像(圖2)
圖 2 小鼠腫瘤和瘤旁血管的多通道成像以及小鼠下腹部淋巴系統(tǒng)的多通道成像
作者們進(jìn)一步利用該探針對(duì)三磷酸腺苷(ATP)的特異性響應(yīng),結(jié)合腫瘤組織由于旺盛的新陳代謝往往具有較高的ATP的特點(diǎn),成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤的高信噪比成像。在淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移瘤的追蹤實(shí)驗(yàn)中,作者對(duì)同一小鼠兩側(cè)淋巴節(jié)轉(zhuǎn)移瘤分別進(jìn)行近紅外二區(qū)熒光成像和生物發(fā)光成像對(duì)比。結(jié)果表明,由于無需外加激發(fā)光源,近紅外二區(qū)生物發(fā)光成像能夠獲得高達(dá)83.4的腫瘤/正常組織信號(hào)比(Tumor to Normal tissue Ratio)——這一數(shù)值是熒光成像的33倍。


具有高穿透深度和高分辨率的光學(xué)成像技術(shù)對(duì)于在體的生物醫(yī)學(xué)影像具有重要的意義,長期以來一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作證明了通過能量傳遞方式構(gòu)建近紅外第二窗口生物發(fā)光探針(NIR-II-BPs)的可行性。這種自發(fā)光方式克服了在體成像過程中外部激發(fā)光的不利影響。從而能夠?qū)崿F(xiàn)血管、淋巴管、腫瘤和轉(zhuǎn)移瘤的高分辨率成像。此外,通過選擇不同的發(fā)光團(tuán),這種方法也可以成為一種實(shí)現(xiàn)具有不同發(fā)射波長的生物發(fā)光的通用方法,用以滿足不斷增長的對(duì)高對(duì)比度多色成像及傳感需求。
研究背景
光學(xué)成像(Optical Imaging),由于其具有非侵入性、實(shí)時(shí)、快速反饋和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn),在體內(nèi)生物信息可視化中起著至關(guān)重要的作用。然而,由于復(fù)雜生物器官和組織中的內(nèi)源性熒光團(tuán)(黑色素,彈性蛋白,膠原蛋白,角蛋白,卟啉和黃素等)在外部輻射激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熒光,這使得活體熒光成像時(shí)的背景信號(hào)升高,從而限制成像時(shí)的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。
因此,諸如生物發(fā)光成像(Bioluminescence Imaging)、化學(xué)發(fā)光成像(Chemiluminescence Imaging)、余暉發(fā)光成像(Afterglow Imaging)等不需要外部激發(fā)光的光學(xué)成像策略受到了極大關(guān)注。其中生物發(fā)光成像由于其優(yōu)異的生物相容性尤為受人青睞。迄今為止,生物發(fā)光成像已被廣泛用于跟蹤細(xì)胞,監(jiān)測(cè)基因表達(dá),檢測(cè)生物活性小分子,腫瘤成像等領(lǐng)域。
然而,常規(guī)的基于熒光素酶(Luciferase)的生物發(fā)光探針發(fā)射光往往位于可見光范圍(VIS,400 nm-700nm),這使得在將其應(yīng)用于生物成像時(shí)會(huì)受到強(qiáng)大的組織吸收和散射干擾,因此難以獲得清晰的成像結(jié)果。
在過去的十年間,通過生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移(BRET)的策略,生物發(fā)光探針的發(fā)射波長已經(jīng)被拓展到了具有較低組織吸收的近紅外第一窗口(NIR-I,700 nm-900 nm),并且獲得了一些具有高信噪比的成像結(jié)果。但散射效應(yīng)仍然是一個(gè)障礙——在較大的組織深度下的近紅外第一窗口生物發(fā)光成像依然模糊。近年來的研究表明在近紅外第二窗口(NIR-II,1000-1700 nm)生物組織具有更小的吸收和散射。
因此開發(fā)發(fā)射波長位于近紅外第二窗口(NIR-II,1000-1700 nm)的生物發(fā)光探針將能夠進(jìn)一步提高生物活體成像的效果,具有重要的意義。在將生物發(fā)光過程中無需激發(fā)光源,具有高信噪比的特點(diǎn)與生物組織在近紅外第二窗口低吸收、低散射的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合后,近紅外第二窗口生物發(fā)光成像可以實(shí)現(xiàn)更高信噪比,更深組織(~1 cm),更高空間分辨率的活體光學(xué)成像。