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国科大化学学院田志远课题组在光功能材料研究方面取得系列进展

  

  在最新一期出版的美国化学会旗下的期刊ACS Nano(影响因子IF 13.942)上,刊载了中国科学院大学化学科学学院田志远教授课题组博士研究生吕岩霖的研究论文Cancer Cell Membrane-Biomimetic Nanoprobes with Two-Photon Excitation and Near-Infrared Emission for Intravital Tumor Fluorescence Imaging ACS Nano, 2018, 12, 1350-1358)。该项研究设计构建了具有双光子激发、近红外发射特性的仿生荧光探针并成功将其应用于活体肿瘤的高清晰度荧光成像,这是该课题组近年来在近红外(near-infrared, NIR) 光学活性材料的设计构建及生物应用方面取得的系列进展之一。 

  归因于其高灵敏度、优良的时-空分辨率、相对于其它技术而言良好的生物兼容性等特性,基于光学活性材料的荧光探测及诊疗技术已在生命科学及生物医学领域发挥日益重要的作用。生物荧光成像需要由外源性荧光团来提供读出信号或增强成像的对比度,这使得荧光探测手段的功效在很大程度上取决于荧光探针的性能。传统生物荧光成像所使用的荧光探针多以可见光作为激发源、而且信标光位于可见光区;而对于那些以深源的细胞或组织为探测目标的应用而言,这类激发光和信标光都位于可见光区的荧光成像会在穿透深度上受到很大的限制。着眼于解决这一问题,国科大化学学院田志远教授带领的低维光学活性材料与生物探测实验室近年来在新型荧光探针的设计构建及其生物探测方面开展了系统研究。他们设计构建了用NIR光通过双光子吸收过程进行激发、发射NIR荧光的复合型聚合物荧光探针;其荧光成像穿透深度可高达1.2毫米、对深置目标及具有一定厚度的生物样品进行成像具有实用意义(ACS Applied Mater. Interfaces, 2015,7,20640-20648,IF 7.504)。他们还设计合成了一类可用NIR光触发、具有良好的生物兼容性及隐身能力、优越的氧气通透性及对活性单重态氧的递送能力、可进行程序化递送的光动力学治疗(PDT)纳米载体,实现了对模型小动物肿瘤极为有效的光动力学治疗效果(Nanoscale,2015,7,9806-9815,IF 7.367)。他们还构建了具有超常斯托克斯位移(大于200nm)的NIR荧光开关探针;基于超常的斯托克斯位移、NIR荧光信号、及动态比照荧光开关转换三重机制的共同作用,成功地克服背景噪音的干扰、将细胞内荧光成像的灵敏度提高两个数量级(ACS Appl. Mater. Interfaces,2016, 8, 4399-4406, IF 7.504)。 

  在前期工作的基础上,他们在近期设计并合成了将具有双光子激发特性的能量捕获单元和能发射NIR荧光的能量受体单元集成到了聚合物分子链中的新型嵌段共聚共轭聚合物;并基于这种光学活性聚合物构建了肿瘤细胞膜包覆的、可实现NIR光激发、NIR荧光发射的“NIR input-NIR outgoing”的仿生荧光探针。这种荧光探针以波长在具有最大光通透性的生物窗口范围的光(700-1000nm)为激发源且具有双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence, TPEF)特性,无需将能量给体与受体进行掺杂,在确保探针结构稳定性的前提下实现高的荧光成像穿透深度。该探针所具有的高度特异性靶向能力,及对活体肿瘤的高清晰度荧光成像能力在模型荷瘤小鼠实验中得到了充分验证(ACS Nano, 2018, 12, 1350-1358)。 

  以上工作得到了国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”专项经费、中国科学院大学的大力支持。中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室马光辉研究员和魏炜研究员课题组、哈尔滨工业大学材料科学与工程学院张勇教授课题组对这项工作有重要贡献。 

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