南京大学甄叙-蒋锡群团队与南洋理工大学浦侃裔团队Small综述:用于光声成像和光热治疗的半导体共轭聚合物纳米材料:信号放大和近红外二区设计策略

发布时间:2021-02-06浏览次数:502

光学成像可以实时观察和表征生物体内的各种生理和病理过程,具有高的时空分辨率。在现有的光学成像技术中,光声(photoacoustic, PA)成像是一种将光学激发与超声检测相结合的新兴无创混合成像技术。在成像过程中,光声造影剂吸收非电离脉冲激光并转换为热,通过热弹性膨胀产生声波。利用宽频超声换能器对这些声波进行检测,根据声波到达时间即可构建光声图像。与光子相比,声子在生物组织中的散射更小,因此光声成像具有高组织对比度、高空间分辨率和深层成像的优势。根据Jablonski图,造影剂吸收的激发光主要通过三个途径消散:荧光发射、隙间窜越(磷光)和无辐射热失活,其中光声信号的产生依赖于非辐射热失活途径。在造影剂无磷光发射的前提下,荧光发射途径与非辐射热失活途径存在竞争关系,以此确定荧光信号和光声信号的强度。因此,猝灭荧光进而促进非辐射热失活来放大光声信号是一种可行的策略。光热治疗(photothermal therapy, PTT)是指造影剂在外部光源的照射下将光能转化为热能进而杀死癌细胞的一种治疗方法。由于光声信号强度和光热治疗性能都是由材料光热转换效率决定的,因此造影剂的光声成像的信号强度和光热治疗性能是相一致的。

近红外二区窗口(NIR-II, 1000-1700 nm)的造影剂对血红蛋白、脂类和皮肤等生物组织的吸收较低,减少了与组织的光相互作用,从而提高了光声成像的信噪比(signal-noise ratio, SNR)和组织穿透深度。此外,与NIR-I区光相比,皮肤对NIR-II区激光的最大允许照射量(maximum permissible exposure, MPE)要高得多,因此可以使用更高的激光功率进行光声成像和光热治疗,从而可以进一步增强光声成像与光热治疗效果。

半导体聚合物纳米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)是由光活性半导体共轭聚合物(semiconducting polymers, SPs)制成的一类新兴有机造影剂。SPNs的光学性质主要取决于SPsπ电子离域化学结构,因此可以通过合理的结构设计来调控其光学性能。此外,SPNs通常具有较大的摩尔吸光系数、优异的光稳定性和可控的尺寸。迄今为止,SPNs已被用于荧光成像、化学发光成像、余辉成像、光声成像、光动力治疗和光热治疗等一系列光学应用。与无机造影剂如贵金属纳米材料不同,SPNs是由生物惰性的有机材料组成,潜在地避免了金属离子诱导的生物毒性的问题,具有良好的生物相容性。此外,与其他造影剂(如单壁碳纳米管和金纳米材料相比,SPNs具有较高的光声强度、光热转换效率以及光热稳定性。因此,SPNs是光声成像和光热治疗的理想材料。

南京大学化学化工学院甄叙-蒋锡群团队与南洋理工大学浦侃裔团队系统评述了半导体聚合物纳米材料在光声成像信号放大和近红外二区光声成像和光热治疗方面研究的最新进展。该论文首先讨论了SPNs 光声信号放大的四种设计策略包括结构-性能筛选策略、荧光猝灭策略、加速散热策略和尺寸依赖的散热策略;接着分别阐述了SPNs在近红外二区光声成像和光热治疗上的应用,重点强调了近红外二区激光对诊疗深度的提高;最后对该领域当前面临的挑战和前景进行了总结和展望:SPNs在体内的长期安全性有待进一步研究,开发具有肾脏清除或生物降解能力的SPNs是加速机体清除的一种选择。此外,目前用于SPNs 光声成像和光热治疗的疾病模型大多为浅表肿瘤模型或脑肿瘤模型,需要建立更相关的临床疾病模型来验证SPNs的光声成像和光热治疗效果,以实现潜在的临床转化。

 

1:用于光声成像和光热治疗的半导体共轭聚合物纳米材料:信号放大和近红外二区设计策略示意图 

相关文章以“Photoacoustic imaging and photothermal therapy of semiconducting polymer nanoparticles: signal amplification and second near-infrared construction”为题,发表在Small (Small 2021, 2004723)上,文章第一作者为南京大学化学化工学院甄叙特聘研究员,通讯作者为南京大学化学化工学院蒋锡群教授和南洋理工大学化学与生物医学工程系浦侃裔教授。

 

作者介绍:甄叙,南京大学化学化工学院特聘研究员、博士生导师. 2014年博士毕业于南京大学化学化工学院(博士导师:蒋锡群教授),随后在新加坡国立大学化学与生物分子工程系(合作导师:Wang Chi-Hwa教授)和南洋理工大学化学与生物医药工程系(合作导师:浦侃裔教授)从事博士后研究. 2019年加入南京大学化学化工学院高分子科学与工程系. 主要研究方向为生物医用高分子材料的设计及其在疾病诊断和治疗方面的应用,具体的研究方向为半导体共轭聚合物和有机大分子光学探针的设计,并将其应用于神经退行性疾病、炎症和肿瘤等疾病的早期诊断和治疗.