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  《自然－生物技術》(《Nature Biotechnology》)10月16日在線發表了新加坡南洋理工大學浦侃裔教授課題組的最新研究成果《強發光、可降解的高分子納米材料用于分子余輝成像》(Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles)。該成果首次發現了基于水溶性有機半導體高分子納米材料的長余輝現象，并將該材料應用于活體分子成像，該研究小組稱之為“分子余輝成像”。基于該材料的成像具有高達4 cm的組織穿透能力，活體動物成像信噪比高于傳統的近紅外熒光成像一百多倍。該研究成果開拓了分子成像研究領域的新視野，為分子成像領域用于臨床診斷，藥物篩選等提供了新途徑新方法。

  傳統的熒光成像技術由于需要實時光激發，從而會導致很強的組織自發熒光(autofluorescence)進而降低了活體成像的靈敏度和特異性。因此，包括生物發光(bioluminescence)和切倫科夫發光(Cerenkov luminescence)在內的成像技術由于具有不需要實時光激發的特點從而吸引了廣泛的研究興趣。然而，生物發光需要酶、底物等因素的作用下才能發光，這會導致信號強度受到來自酶的微環境以及底物在生物體內分布的影響。切倫科夫發光依賴于放射性同位素衰變產生的帶電粒子的超速運動，這個過程不僅會產生有害的電離輻射，而且發出的信號基本都是短波長的藍色輝光，從而限制了其成像的組織穿透能力。

  余輝發光(afterglow luminescence)是材料在光激發結束后的內在持續發光過程，其通常是由材料經過光熱激活后，光子從能量陷阱中緩慢釋放所產生。雖然余輝發光成像技術由于無需實時光激發的優勢在活體成像中具有巨大的應用前景，但是目前僅有少數幾種基于稀土元素的無機納米材料具有這種余輝發光的性能。同時，由于無機納米材料表面不易修飾導致了其缺乏靶向能力；并且其發光亮度低，半衰期短，尤其是其自身的重金屬毒性等問題，限制了該材料進一步的生物應用。

  因此，為了解決上述問題，南洋理工大學的浦侃裔(Kanyi Pu)教授團隊開發了一種具有余輝發光的半導體高分子納米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)并將其應用于分子余輝成像。該納米材料全部由有機分子構成并且具有生物可降解的特性，從而克服了上述無機納米材料的生物毒性問題。此外，相比于上述無機納米材料，該納米材料具有更長的發射波長(780 nm)和余輝發光半衰期（6分鐘）, 并且發光亮度高出100多倍。由于其具有近紅外波長發射，高余輝發光強度和無需實時光激發的特點，其光學信號可以穿透整只小鼠身體，并且在小鼠活體淋巴結和腫瘤成像中，其余輝發光的成像信噪比(signal to background ratio, SBR)比傳統的近紅外熒光高出127倍。此外，通過對SPNs的表面進行修飾，還可以開發出一種生物硫醇激活的智能余輝成像探針，并將其用于藥物誘導肝毒性的早期檢測。綜上，該納米材料具有余輝發光波長長，強度高，半衰期長等優勢，使其在組織穿透性和成像分辨率等方面大大優于傳統的近紅外熒光成像，在生物成像領域具有廣闊的應用前景。

淋巴結和腫瘤的余輝成像

圖1，活體淋巴結(a,b,c)和腫瘤成像(d,e,f)。SPN-NCBS5材料使用808 nm激光照射1分鐘 (激光強度1 W/cm2)后，-20 oC保存1天（保存余輝發光），使用前無需再光照樣品，直接通過小鼠手掌注射后，30分鐘后即可在淋巴結觀察到余輝信號。在注射65分鐘后原位照射再激活SPN-NCBS5，此時余輝發光成像的信噪比可達到近紅外熒光成像的127倍。腫瘤成像也表明SPN-NCBS5的余輝成像具有比傳統近紅外熒光成像更高的信噪比和分辨率。

余輝成像用于肝毒性檢測

圖2，余輝成像用于藥物誘導肝毒性檢測。將SPNs表面進行修飾淬滅基團后，使其余輝發光淬滅，只有在生物硫醇(Cys, Hcy, GSH)存在條件下（切斷淬滅基團）余輝發光才會開啟。憑借此特性，該智能余輝探針可用于藥物誘導肝毒性的早期檢測。

  論文的唯一通訊作者浦侃裔教授表示：“我們開創了基于半導體高分子納米材料的分子余輝成像，未來我們會繼續探索其在疾病發生與治療等方面的生物應用。” 

圖3，浦侃裔教授研究團隊

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nbt.3987

  浦侃裔教授實驗室主頁鏈接：http://www.ntu.edu.sg/home/kypu/

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