【背景介紹】
光學(xué)成像具有非侵入性、復(fù)旦實(shí)時(shí)、大學(xué)快速反饋和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，張凡在活體生物醫(yī)學(xué)成像分析和傳感領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。復(fù)旦在外部光源激發(fā)時(shí)，大學(xué)復(fù)雜生物器官和組織中內(nèi)源性熒光團(tuán)產(chǎn)生的張凡自發(fā)熒光背景是獲得具有高信噪比（SNRs）成像的主要限制之一。因此，復(fù)旦生物發(fā)光成像、大學(xué)化學(xué)發(fā)光成像等無(wú)需外界光源照射的張凡成像策略引起了研究人員的極大興趣。目前，復(fù)旦生物發(fā)光成像已被廣泛用于跟蹤細(xì)胞、大學(xué)腫瘤成像等。張凡然而，復(fù)旦常規(guī)生物發(fā)光成像的大學(xué)可見(jiàn)光波長(zhǎng)短（400-700 nm），在體內(nèi)成像時(shí)存在組織穿透不夠、張凡靈敏度低等問(wèn)題。通過(guò)生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（BRET），生物發(fā)光成像的發(fā)射波長(zhǎng)可擴(kuò)展到近紅外I區(qū)（NIR-I，700-900 nm），有助于腫瘤和淋巴結(jié)成像以及酶活性分子成像，但其生物組織的散射效應(yīng)依然影響成像的信噪比和分辨率。近紅外二區(qū)（NIR-II，1000-1700 nm）光學(xué)成像可以在深部組織（1 cm以上）中實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。但是，活體內(nèi)NIR-II熒光成像由于需要外部光照，不可避免地會(huì)出現(xiàn)自發(fā)熒光背景、并且會(huì)產(chǎn)生光致過(guò)熱效應(yīng)、照明不均勻等不良現(xiàn)象。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，復(fù)旦大學(xué)的張凡教授和凡勇青年研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種生物發(fā)光探針（BPs），其通過(guò)使用一種特殊設(shè)計(jì)的花菁染料（FD-1029）進(jìn)行生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（BRET）和兩步熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET），即可在1029 nm處的NIR-II區(qū)生物熒光成像。該NIR-II-BPs具有良好的生物相容性，并成功應(yīng)用于小鼠的血管和淋巴管成像，其信噪比（SNRs）相對(duì)于NIR-II熒光成像和常規(guī)生物發(fā)光成像提高了5倍、空間分辨率高約1.5倍。此外，NIR-II-BPs還具有多重成像能力，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)指標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)。利用該生物發(fā)光探針的ATP響應(yīng)特性，NIR-II-BPs能夠以高達(dá)83.4的高腫瘤與正常組織比率（tumor/normal tissue(T/N)）來(lái)識(shí)別腫瘤轉(zhuǎn)移。研究成果以題為“NIR-II bioluminescence for in vivo high contrast imaging and in situ ATP-mediated metastases tracing”發(fā)布在國(guó)際著名期刊Nature Communications上。
【圖文解讀】
圖一、具有NIR-II生物發(fā)光的NIR-II-BPs的示意圖
圖二、NIR-II-BPs的合成與表征
（a）FD-1029的合成路線；
（b） FD-1029在DSPE-PEG2000膠束中的吸收光譜；
（c）FD-1029在DSPE-PEG2000膠束中的熒光發(fā)射光譜；
（d）Cy5、Cy7.5、FD-1029的UV/VIS/NIR吸收和發(fā)射光譜以及螢光素酶的生物發(fā)光；
（e）NIR-II-BPs在PBS緩沖液中的TEM圖和的粒徑分布；
（f）NIR-II-BPs在PBS緩沖液中的生物發(fā)光發(fā)射光譜和吸收光譜；
（g）NIR-II-BP在小鼠血清中的光穩(wěn)定性；
（h）不同檢測(cè)窗口中，在不同深度浸沒(méi)有1％脂質(zhì)的NIR-II-BPs填充的毛細(xì)管生物發(fā)光圖像；
（i）以克（g）為單位的高斯擬合強(qiáng)度數(shù)據(jù)的FWHM與不同脂質(zhì)內(nèi)深度的關(guān)系。
圖三、NIR-II生物發(fā)光和熒光成像之間信噪比和光熱效應(yīng)的差異
（a）光學(xué)成像示意圖；
（b）在5 mm雞胸組織下，NIR-II熒光成像和NIR-II生物發(fā)光成像；
（c）具有不同厚度雞胸組織的NIR-II-BPs毛細(xì)管的SNR，用于NIR-II熒光成像和NIR-II生物發(fā)光成像；
（d）對(duì)雞胸組織進(jìn)行熱效應(yīng)研究的示意圖；
（e）在808 nm、980 nm和1064 nm下連續(xù)照射30 min后，雞胸組織的光熱成像；
（f）在不同激發(fā)波長(zhǎng)照射下，記錄的雞胸組織的溫度變化曲線；
（g） 在808 nm、980 nm和1064 nm下連續(xù)照射30 min后，裸鼠皮膚的溫度；
（h）在不同激發(fā)波長(zhǎng)輻射下，記錄裸鼠皮膚的溫度變化曲線。
圖四、外部激發(fā)光對(duì)NIR-II生物發(fā)光和熒光成像信號(hào)均勻性的影響
（a）非均勻照明的照片和示意圖；
（b）在非均勻照明的NIR-II生物發(fā)光成像和NIR-II熒光成像中，填充NIR-II-BPs的光學(xué)成像；
（c）在NIR-II熒光成像和NIR-II生物發(fā)光成像中，沿毛細(xì)管的強(qiáng)度分布；
（d）典型的Gaussian point擴(kuò)散函數(shù)光斑；
（e）d中的Gaussian point擴(kuò)散函數(shù)中，沿虛線的強(qiáng)度曲線具有相同的顏色；
（f）關(guān)于非均勻照明的體內(nèi)研究插圖；
（g-h）靜脈注射NIR-II-BPs后，小鼠淋巴管上的NIR-II生物發(fā)光成像和NIR-II熒光成像；
（i）沿g、h的紅色虛線的強(qiáng)度分布以及考慮到激發(fā)光強(qiáng)度分布的校正后的強(qiáng)度分布。
圖五、比較NIR-II生物發(fā)光和熒光信號(hào)在血管和淋巴管上成像
（a-c）在靜脈注射NIR-II-BPs后，小鼠腹部血管、淋巴管和腦血管的 NIR-II生物發(fā)光成像和NIR-II熒光成像；
（d-f）沿（a-c）白線的腹腔血管、淋巴管和腦血管的強(qiáng)度分布。
圖六、使用NIR-II-BPs進(jìn)行體內(nèi)多重成像
（a）對(duì)CT-26腫瘤小鼠的雙通道生物發(fā)光成像的照片；
（b）使用NIR-I-BPs和NIR-II-BPs對(duì)腫瘤組織、血管進(jìn)行雙通道生物發(fā)光成像；
（c）淋巴系統(tǒng)雙通道生物發(fā)光成像的示意圖；
（d）使用NIR-I-BPs和NIR-II-BPs對(duì)淋巴系統(tǒng)進(jìn)行雙通道生物發(fā)光成像。
圖七、ATP介導(dǎo)NIR-II-BPs對(duì)腫瘤和轉(zhuǎn)移瘤的成像
（a）裸鼠中相同腫瘤的VIS生物發(fā)光成像、NIR-II熒光成像和NIR-II生物發(fā)光成像；
（b）（a）中不同的光學(xué)成像方法的T/N比；
（c）在攜帶淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的裸鼠上，同時(shí)進(jìn)行熒光成像和生物發(fā)光成像的示意圖；
（d）淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的熒光成像、生物發(fā)光成像和相應(yīng)的高倍率成像；
（e）沿淋巴管的強(qiáng)度分布圖；
（f）腹膜轉(zhuǎn)移的NIR-II熒光成像和NIR-II生物發(fā)光成像；
（g）（f）中相應(yīng)序列號(hào)腫瘤的T/N比；
（h）（f）中轉(zhuǎn)移性腫瘤邊緣的H＆E染色結(jié)果。
【小結(jié)】
綜上所述，作者利用工程化BRET和FRET工藝開(kāi)發(fā)了具有生物相容性的NIR-II生物發(fā)光探針（NIR-II-BPs）。制備的NIR-II-BPs將生物發(fā)光范圍從Vis擴(kuò)展到NIR-II。這種自發(fā)光方式完全消除了體內(nèi)成像過(guò)程中外部激發(fā)光的不利影響，因而能夠?qū)崿F(xiàn)血管和淋巴管以及腫瘤和轉(zhuǎn)移的高分辨率成像。此外，通過(guò)精心選擇熒光團(tuán)、BRET-FRET方法可以成為一種實(shí)現(xiàn)具有不同發(fā)射波長(zhǎng)的生物發(fā)光的通用方法，以滿足不斷增長(zhǎng)的對(duì)高對(duì)比度多色成像和傳感的需求。但是，生物發(fā)光成像仍存在發(fā)射效率低、需要獨(dú)特的底物、對(duì)環(huán)境敏感的酶等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)可能導(dǎo)致在體內(nèi)NIR-II成像期間需要較長(zhǎng)的成像時(shí)間、多次注入底物以及有限的生物環(huán)境。因此，未來(lái)需要開(kāi)發(fā)具有更高靈活性和效率的可轉(zhuǎn)染NIR-II生物發(fā)光探針上。
文獻(xiàn)鏈接：NIR-II bioluminescence for in vivo high contrast imaging and in situ ATP-mediated metastases tracing.（Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-18051-1）
通訊作者簡(jiǎn)介
張凡教授簡(jiǎn)介：復(fù)旦大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師 ，國(guó)家杰出青年基金獲得者、中組部青年拔尖人才（萬(wàn)人計(jì)劃）。
學(xué)習(xí)工作經(jīng)歷：
張凡教授于2008年獲復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系理學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：趙東元院士）。2008-2010年美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校化學(xué)與生物化學(xué)系博士后（導(dǎo)師：美國(guó)兩院院士Galen Stucky教授）。2010年8月通過(guò)復(fù)旦大學(xué)人才引進(jìn)計(jì)劃加入復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，2012年協(xié)調(diào)成立復(fù)旦-陶氏化學(xué)聯(lián)合研究中心，任研究中心副主任，2013年底開(kāi)始任復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授。
研究興趣及獲獎(jiǎng)：
張凡教授主要研究領(lǐng)域包括生物納米技術(shù)及生物分析, 如早期癌癥診斷與治療，藥物儲(chǔ)存與釋放，體內(nèi)與體外生物成像等。發(fā)表SCI論文100余篇，多篇以通訊作者發(fā)表在Nat. Nanotechnol (1篇)，Nat. Commun（6篇），J. Am. Chem.Soc.（4篇），Angew. Chem. Int. Ed.（13篇），Adv. Mater. (6篇），Nano. Lett. (5篇）等生物化學(xué)相關(guān)國(guó)際一流期刊上，引用超過(guò)13000次，H index 62。25篇論文入選ESI“Highly Cited Papers”。2018年入選科睿唯安全球高被引學(xué)者。撰寫(xiě)出版英文專著2部（英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)出版社和德國(guó)Springer-Nature出版社）。
獲得教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、侯德榜化工科技獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)等獎(jiǎng)、上海市青年英才科技獎(jiǎng)等榮譽(yù)。受邀在國(guó)際會(huì)議上作大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告30余次，同時(shí)擔(dān)任國(guó)際期刊Frontiers in Chemistry (Nanoscience Section)執(zhí)行主編，Wiley出版社Small Structure, Particle & Particle systems characterization 和Analysis and Sensing以及《化學(xué)學(xué)報(bào)》、《分析化學(xué)》等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊編委。
本文由CQR編譯。
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