體內(nèi)過氧化氫（H2O2）的可視化監(jiān)測對疾病的有效診斷至關(guān)重要。目前，基于催化反應(yīng)的納米探針在H2O2檢測中顯示出巨大的潛力，但其在體內(nèi)的應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性：催化劑總是需要特定的pH值才能發(fā)揮最優(yōu)催化效果，且細胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）可能通過耗盡催化產(chǎn)生的羥基自由基和氧化底物來抑制成像信號的傳導(dǎo)。近日，福州大學楊黃浩/林立森教授團隊開發(fā)了一種基于脂質(zhì)體材料的催化微環(huán)境可控型納米探針（MTCNs）。MTCNs不但可以為內(nèi)腔所包封的亞鐵離子（Fe2+）催化劑提供有利的pH環(huán)境，還可以通過阻止GSH進入空腔避免GSH引起的信號丟失，從而實現(xiàn)腫瘤和淋巴轉(zhuǎn)移瘤中H2O2的雙模態(tài)比率成像，相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202208720）上。
微環(huán)境可控型催化納米探針用于NIR-II熒光/光聲比率成像檢測腫瘤中過氧化氫
作為一種重要的內(nèi)源性活性氧，體內(nèi)H2O2水平的變化與各類疾病密切相關(guān)。開發(fā)有效的體內(nèi)H2O2檢測方法對疾病的診斷和研究疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要的臨床意義?；诖呋磻?yīng)的納米探針已在H2O2檢測領(lǐng)域中顯示出巨大的潛力，但其在體內(nèi)的應(yīng)用仍面臨兩大挑戰(zhàn)：1. 催化劑往往需要在特定的pH條件下才能發(fā)揮最佳催化性能，但很難調(diào)節(jié)細胞內(nèi)pH以滿足高效催化需求；2. 細胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）不僅會清除催化過程中產(chǎn)生的活性氧，還可能消耗氧化底物，從而顯著降低納米催化探針的輸出信號強度。針對上述問題，楊黃浩/林立森教授團隊開發(fā)了一種基于脂質(zhì)體材料的催化微環(huán)境可控型納米探針（MTCNs），并有效應(yīng)用于腫瘤中H2O2的雙模態(tài)比率成像檢測（圖1）。
 圖1. MTCNs用于腫瘤中H2O2的NIR-II熒光/光聲雙模態(tài)比率成像檢測示意圖（來源：Adv. Funct. Mater.）
首先，所制備的納米探針MTCNs由包封在脂質(zhì)體內(nèi)腔的Fe2+、檸檬酸、2,2'-疊氮雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）、下轉(zhuǎn)換納米顆粒和包封在脂質(zhì)膜中的疏水性染料組成。由于離子和GSH不能隨意透過脂質(zhì)體的磷脂雙分子層，MTCNs不僅可以為催化反應(yīng)提供有利的pH環(huán)境，還可以阻止GSH進入脂質(zhì)體內(nèi)腔，避免因GSH還原氧化底物引起信號丟失。此外，H2O2可以自由進入MTCNs的空腔，啟動Fe2+介導(dǎo)的催化反應(yīng)，將ABTS氧化為具有強烈808 nm吸收的氧化態(tài)ABTS·+，導(dǎo)致808nm處的吸光度顯著增加，從而增強光聲信號，同時通過內(nèi)濾效應(yīng)（IFE）猝滅下轉(zhuǎn)換納米顆粒在近紅外二區(qū)（NIR-II）的熒光。得益于可調(diào)控的催化微環(huán)境，MTCNs在H2O2存在條件下產(chǎn)生明顯的NIR-II熒光和吸收信號變化，其在1550 nm和1080 nm之間的比率NIR-II熒光信號明顯減少，同時在808 nm和1048 nm之間的比率吸收信號顯著增加（圖2）。上述結(jié)果表明，MTCNs有望通過雙模態(tài)NIR-II 熒光/光聲比率成像檢測體內(nèi)H2O2。
 圖2. MTCNs的表征及其對H2O2響應(yīng)的信號變化研究（來源：Adv. Funct. Mater.）
接著，作者對MTCNs的體外NIR-II熒光/光聲成像性能進行了考察。與H2O2孵育后，MTCNs在808 nm處光聲信號（PA808）顯著增加，而在1048 nm處光聲信號（PA1048）保持不變；同時，NIR-II熒光圖像顯示其在1550 nm（FL1550Em,808Ex）處熒光信號顯著降低，但在1080 nm（FL1080Em,980Ex）處僅有可忽略不計的熒光信號變化（圖3a-f）。而且，MTCNs表現(xiàn)出較低細胞毒性和有效的細胞內(nèi)化（圖3g,h）。上述結(jié)果進一步表明生物相容性較好的MTCNs在H2O2體內(nèi)成像應(yīng)用中具有巨大的潛力。
 圖3. MTCNs對H2O2的體外比率NIR-II熒光/光聲成像性能考察（來源：Adv. Funct. Mater.）
最后，作者通過4T1荷瘤小鼠模型和淋巴轉(zhuǎn)移瘤模型研究了MTCNs雙模態(tài)比率檢測體內(nèi)H2O2的能力。如圖4和圖5所示，荷瘤小鼠經(jīng)MTCNs處理后，腫瘤組織中的光聲和熒光參比信號顯著增強。由于腫瘤內(nèi)H2O2有效催化ABTS氧化為ABTS·+，注射MTCNs的小鼠腫瘤組織中PA808的強度隨時間逐漸增強。作為光子過濾層，生成的ABTS·+能夠吸收808 nm的激發(fā)光，從而通過IFE猝滅MTCNs在1550 nm處的發(fā)射光，因此在MTCNs處理的小鼠腫瘤中同時觀察到PA808/PA1048的比值顯著增加，F(xiàn)L1550Em,808Ex/FL1080Em,980Ex的比值顯著降低。上述結(jié)果表明MTCNs具有良好的H2O2響應(yīng)型NIR-II熒光/光聲比率成像能力，可用于體內(nèi)腫瘤的雙模態(tài)比率成像。
 圖4. 利用MTCNs的比率NIR-II熒光/光聲成像性能對腫瘤中H2O2進行體內(nèi)可視化研究（來源：Adv. Funct. Mater.）
 圖5. MTCNs用于雙模態(tài)比率成像檢測淋巴轉(zhuǎn)移瘤中H2O2（來源：Adv. Funct. Mater.）
綜上，楊黃浩/林立森教授團隊成功開發(fā)了一種催化微環(huán)境調(diào)控型納米探針用于腫瘤和淋巴轉(zhuǎn)移瘤中H2O2的NIR-II熒光/光聲比率成像檢測。這項工作通過新穎的催化微環(huán)境調(diào)控策略為推進催化化學的體內(nèi)成像應(yīng)用開辟了一條新途徑。該工作以“Microenvironment-Tailored Catalytic Nanoprobe for Ratiometric NIR-II Fluorescence/Photoacoustic Imaging of H2O2 in Tumor and Lymphatic Metastasis”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.上，該論文作者為：Tao
Chen, Zhaolin Chen, Qianting Zhou, Hongye Ding, Peng Gong, Jun Wang,
Huilan Cai, Rujiang Ao, Meili Yu, Jibin Song, Lisen Lin* and Huanghao
Yang*。上述研究工作得到了中國國家重點研究與發(fā)展計劃、國家自然科學基金和福建省科技重大項目的資助支持。
課題組合照
楊黃浩教授課題組于2008年建立，主要從事生物分析化學、生物醫(yī)學成像和納米生物技術(shù)領(lǐng)域的研究。課題組擁有化學、材料、藥學、生物醫(yī)學工程等多學科交叉的教師團隊，包括國家杰出青年基金獲得者1人、國家級高層次青年引進人才入選者3人。課題組已獲得了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目、國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項等的資助。
福州大學教授、博士生導(dǎo)師。2011年獲國家杰出青年科學基金，2014年入選英國皇家化學會會士，2015年入選全國先進工作者，2015年入選全國青聯(lián)委員。曾任福州大學化學學院副院長、福州大學生物科學與工程學院院長，現(xiàn)任福州大學副校長、教育部重點實驗室主任、福建省工程研究中心主任。在科學研究方面，圍繞分析化學、納米醫(yī)學、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域進行了較為深入的研究，在方法學和實際應(yīng)用方面取得了系統(tǒng)性的創(chuàng)新研究成果。已主持國家973計劃課題1項、國家863計劃課題2項、國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項課題1項、國家自然科學基金重點項目2項。已發(fā)表學術(shù)論文150余篇，總引用次數(shù)超過17000次（H因子=68），單篇論文最高被引用2000余次。
閩江學者特聘教授，博士生導(dǎo)師。2016年畢業(yè)于福州大學并取得分析化學博士學位，2016-2019年在美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）分子影像與納米醫(yī)學實驗室從事博士后研究，2019年入職福州大學化學學院。主要圍繞生命分析化學與生物醫(yī)學工程開展科研工作，涉及生物分析、活體成像、疾病治療等多學科交叉領(lǐng)域。以第一/通訊作者在J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Adv. Mater.（2篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇）、ACS Nano、Adv. Sci.等期刊發(fā)表論文14篇。
關(guān)于人物與科研 今天，科技元素在經(jīng)濟生活中日益受到重視，中國迎來“科學技術(shù)爆發(fā)的節(jié)點”?？萍歼M步的背后是無數(shù)科學家的耕耘。在追求創(chuàng)新驅(qū)動的大背景下，化學領(lǐng)域國際合作加強，學成歸國人員在研發(fā)領(lǐng)域的影響日益突出，國內(nèi)涌現(xiàn)出眾多優(yōu)秀課題組。為此，CBG資訊采取1+X報道機制，攜手ChemBeanGo
APP、ChemBeanGo官博、CBG資訊公眾號等平臺推出“人物與科研”欄目，走近國內(nèi)頗具代表性的課題組，關(guān)注研究、傾聽故事、記錄風采、發(fā)掘精神。
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