IF：40.4！苏州大学《CSR》：增强无自发荧光成像性能的有机余辉剂

BioMed科技 · 公众号 · · 2024-12-30 22:56

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苗庆庆 ，苏州大学放射医学与防护学院特聘教授，博士生导师，国家重大人才工程A类青年项目入选者，江苏特聘教授，江苏省双创博士人才项目，主持国家自然科学基金青年基金，江苏省青年基金各1项。2010年获得安徽大学化学专业学士学位，2015年获得中国科学技术大学分析化学专业博士学位。2015年至2018年在新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院完成博士后研究。2018年11月加入苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验、放射医学与防护学院分子影像与核医学研究中心。主要从事发展核医学探针、光学探针、纳米技术等用于疾病诊断、治疗及精准医学等的研究。研究领域涉及分子影像，纳米医学，转化医学等交叉领域。迄今为止在Nat. Biotechnol., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mat.等国际核心学术期刊上发表研究论文30多篇。

本文 苏州大学苗庆庆教授 作为通讯作者，以“Recent advances and design strategies for organic afterglow agents to enhance autofluorescence-free imaging performance”为题，发表在权威综述类杂志期刊《 Chem Soc Rev 》。

【 主要内容 】

图1 有机余辉纳米系统主要突破的时间轴和代表性的余辉聚合物/分子的化学结构和基质

自2015年发现MEHPPV半导电聚合物作为首个有机余辉材料以来，有机余辉材料引起了极大的关注。在2021年和2022年，基于噻吩的半导电聚合物和基于叶绿素及卟啉衍生物的小分子分别作为余辉材料出现。在此期间，基于化学发光底物的有机余辉纳米系统被探索作为一种通用策略用于余辉探针设计。近两年，TPP–DO融合分子、亚甲基蓝衍生物和三环蒽衍生物被开发以增强余辉性能。此外，超声和X射线激发的余辉发光（称为sonoafterglow和radioafterglow）也出现了，以克服与传统余辉分子相关的组织穿透限制。

图2 有机余辉纳米系统的组成和分子机制示意图

有机余辉纳米系统的组成和分子机制，包括一般制备策略、代表性两亲性聚合物和余辉引发剂的化学结构，以及余辉引发过程：在光照射下，余辉引发剂从基态激发到单线态，然后通过系统间交叉（ISC）跃迁到三线态，将激发能量传递给周围的氧气（ ³ O ₂ ），产生活性氧（主要是 ¹ O ₂ ）。随后，余辉底物与 ¹ O ₂ 反应形成高能过氧化物中间体作为化学缺陷，这些不稳定的高能中间体在分解过程中释放能量，激发余辉底物/分子片段（例如，通过化学激发），这些激发态物种可以直接发射余辉光子或通过能量转移被合适的中继单元吸收以实现红移的余辉。

图3 有机余辉纳米系统的共组装技术以提高强度

通过共组装技术展示了如何增强有机余辉纳米系统SPN–NCBS的余辉强度。该技术利用NCBS作为 ¹ O ₂ 的促进剂，显著提高了余辉亮度。实验结果表明，与仅用514 nm激光预照射的SPN–MEHPPV相比，用808 nm激光预照射的SPN–NCBS在余辉强度上提高了75倍，这一增强效果归因于NCBS在808 nm激光下产生更多的 ¹ O ₂ 。SOSG实验进一步证实了这一点，显示了NCBS相较于MEHPPV在产生 ¹ O ₂ 方面的优势。

图4 基于电子转移的有机余辉纳米系统的分子工程以提高强度

电子转移型有机余辉纳米系统（TAD NPs）在光照射下能有效产生超氧阴离子和单线态氧，展现明亮的余辉效果，并且可以通过白光照射进行多次充电，验证了电子转移机制在增强余辉强度中的潜力，同时通过使用特定的活性氧清除剂抑制余辉，证实了这些活性氧在余辉过程中的核心作用。

图5 AIE辅助有机余辉纳米系统的共组装技术以提高强度

通过使用具有AIE效应的荧光分子（AIEgens）作为余辉起始剂，与甲基丙烯酸修饰的AEEs余辉底物共组装，构建了具有增强余辉性能的纳米系统。DFT计算揭示了分子结构的灵活性有助于提高ISC速率和 ¹ O ₂ 产生效率，从而导致更高的余辉亮度。实验结果表明，与没有AIE骨架的ACQ系统相比，AIE辅助的余辉纳米系统显示出显著增强的NIR余辉发光，增强因子达到18.5倍，证明了AIEgens在提高余辉纳米系统性能方面的潜力。

图6 基于ET的可激活余辉设计

该系统由电致变色材料EM F1 ²⁺ 与MEHPPV和NCBS共封装而成，最初由于EM F1 ²⁺ 与MEHPPV和NCBS之间的有效ET过程而处于“信号关闭”状态。当系统暴露于H ₂ S时，EM F1 ²⁺ 被还原，导致其宽吸收消失，ET过程被中断，从而实现了约122倍的余辉信号显著激活。这一策略不仅实现了对H ₂ S的高灵敏度检测，还通过GSH激活的余辉纳米系统（Q-TPP–DO NPs）展示了对皮下微肿瘤的灵敏检测和手术导航辅助能力。

图7 基于PeT的可激活余辉设计

基于光诱导电子转移（PeT）机制的生物硫醇激活型余辉纳米系统（SPN-thiol）系统由MEHPPV和NCBS共组装而成，并引入了2,4-二硝基苯磺酰（DNBS）作为电子转移的淬灭剂。在生物硫醇存在下，DNBS从纳米系统核心中移除，中断了电子转移过程，从而激活了余辉发光，实现了对生物硫醇的灵敏检测，并在体内药物诱导的肝毒性监测中展现了高信背比的余辉成像。

图8 基于ICT的可激活余辉设计

基于内分子电荷转移（ICT）机制的可激活余辉设计策略，包括Schaap的Adamantylidene-1,2-dioxetane（AEEs）作为余辉底物，通过生物标志物触发的酚羟基去保护作用，激活了1,2-二氧杂环己烷中间体的形成和快速降解，导致自发光；以及Hemicyanine染料（HDs）作为近红外荧光染料，通过调整ICT过程构建高性能的可激活荧光探针，通过将HDs的酚羟基与生物标志物响应基团进行共价修饰，实现了对pH值变化、过氧亚硝酸盐和酶切割等生物标志物的灵敏检测。

图9 基于分子结构变化的可激活纳米系统

基于分子结构变化的激活型纳米系统，揭示了生物标记物触发的甲基蓝(mMB)分子结构变化的机制，并展示了基于mMB的激活型后发光纳米系统的设计及其在ONOO-存在时的后发光图像和强度，表明通过分子结构变化可实现高度敏感和特异性的后发光检测，提高成像对比度和检测灵敏度。

图10 超声（US）激发有机余辉纳米系统

超声激发的有机后发光（sonoafterglow）纳米系统（SNAPs）包括代表性的声敏剂作为sonoafterglow启动剂的结构、声敏剂和后发光底物组装成的SNAPs、以及不同SNAPs的sonoafterglow强度。此外，还比较了sonoafterglow和光激发后发光（photoafterglow）在组织穿透能力方面的差异，显示了sonoafterglow在超声激发下比光激发具有更好的组织穿透深度，这为生物医学应用提供了新的可能性。

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