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

2020年9月4日消息，近日，來自復旦大學張凡教授研究團隊（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）。該文章報道了一種新型的生物發(fā)光探針可以用于高對比度的活體成像以及體內(nèi)的ATP介導轉(zhuǎn)移腫瘤追蹤。
研究團隊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)。在這基礎上，進一步通過生物發(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，由于這種能量傳遞策略的可調(diào)性，這類探針也能應用于多通道的活體標記成像。文中，作者們成功實現(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
作者們進一步利用該探針對三磷酸腺苷（ATP）的特異性響應，結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，成功實現(xiàn)了對腫瘤的高信噪比成像。在淋巴結轉(zhuǎn)移瘤的追蹤實驗中，作者對同一小鼠兩側淋巴節(jié)轉(zhuǎn)移瘤分別進行近紅外二區(qū)熒光成像和生物發(fā)光成像對比。結果表明，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83.4的腫瘤/正常組織信號比（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成像技術對于在體的生物醫(yī)學影像具有重要的意義，長期以來一直是一個挑戰(zhàn)。這項工作證明了通過能量傳遞方式構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，這種方法也可以成為一種實現(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高對比度多色成像及傳感需求。
研究背景
光學成像（Optical Imaging），由于其具有非侵入性、實時、快速反饋和高靈敏度的優(yōu)點，在體內(nèi)生物信息可視化中起著至關重要的作用。然而，由于復雜生物器官和組織中的內(nèi)源性熒光團（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)下會產(chǎn)生自發(fā)熒光，這使得活體熒光成像時的背景信號升高，從而限制成像時的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。
因此，諸如生物發(fā)光成像（Bioluminescence Imaging）、化學發(fā)光成像（Chemiluminescence Imaging）、余暉發(fā)光成像（Afterglow Imaging）等不需要外部激發(fā)光的光學成像策略受到了極大關注。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胞，監(jiān)測基因表達，檢測生物活性小分子，腫瘤成像等領域。
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），這使得在將其應用于生物成像時會受到強大的組織吸收和散射干擾，因此難以獲得清晰的成像結果。
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果。但散射效應仍然是一個障礙——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與生物組織在近紅外第二窗口低吸收、低散射的優(yōu)勢相結合后，近紅外第二窗口生物發(fā)光成像可以實現(xiàn)更高信噪比，更深組織（~1 cm），更高空間分辨率的活體光學成像。