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【纳米】DNA纳米荧光团助力脑肿瘤的NIR-II区荧光成像

注:文末有研究团队简介及作者科研思路分析脑肿瘤,尤其是最具侵袭性的脑胶质母细胞瘤,是威胁人类健康的高致死性疾病。因此,准确地可视化脑肿瘤是至关重要的,这不仅对早期诊断很重要,而且还有利益于后续成像引导的手术。近日,南方科技大学田雷蕾课题组制备了一种DNA纳米荧光团,其可以高效地跨越血脑屏障(BBB),并用于增强脑肿瘤NIR-II区荧光成像(图1)。

【纳米】DNA纳米荧光团助力脑肿瘤的NIR-II区荧光成像

图1. NIR-II发光的DNA纳米荧光团穿越BBB,并用于增强脑肿瘤的诊断成像。相比于传统的NIR-I区荧光,NIR-II区(1000-1700 nm)荧光具体更深的穿透深度和更好的信噪比。此外,与常用的X射线计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)相比,NIR-II区荧光成像更易于操作,并且可进行术中实时监测。最近,NIR-II发光的有机纳米荧光团已被应用于大脑的非侵入式成像。然而,BBB的存在阻碍了大多数药物和探针的通过,这也限制了纳米荧光团在脑肿瘤成像和诊断中的应用效果。因此,为了提高脑肿瘤的摄取以获得更高的成像分辨率,人们非常期待具有BBB穿越和脑肿瘤靶向能力的NIR-II区纳米荧光团。南方科技大学田雷蕾课题组将DNA纳米技术应用于有机纳米材料的开发,制备了一种可高效穿越BBB并靶向脑肿瘤的NIR-II区发光的DNA有机纳米荧光团,实现了超高分辨率的脑肿瘤成像。他们创新性地将DNA双亲嵌段聚合物PS-b-DNA(图2a)作为纳米载体制备有机发光纳米粒子。除了可以有效包覆强疏水的NIR-II染料(IR-FE,图2b-d),其优势还在于纳米粒子表面紧密排布的DNA显示出簇效应(又称球形核酸特性),可通过受体介导转胞吞途径高效穿越BBB(图3a-b)。这一特性使PS-b-DNA相较于常用的PS-b-PEG载体在用于制备脑瘤成像的诊疗纳米粒子方面具有绝对优势。

【纳米】DNA纳米荧光团助力脑肿瘤的NIR-II区荧光成像

图2. a) 双亲性嵌段共聚物PS-b-DNA的合成。b) 包载不同量的IR-FE的FE@PS-b-DNA纳米荧光团的亮度和荧光量子产率。c) (a)中样品在808 nm激光照射下的照片。d) FE@PS-b-DNA的吸收和荧光光谱。通过活体实验证明,在包载同样NIR-II染料的情况下,基于PS-b-DNA的纳米粒子在脑瘤成像时形成的荧光信号强度是基于PS-b-PEG的纳米粒子的3.8倍(图3c-d),可实现更精确的脑瘤诊断及定位。由此可见,结合DNA纳米技术可为开发具有更好脑瘤诊断和治疗效果的NIR-II有机纳米粒子提供一种全新的思路和方法。

【纳米】DNA纳米荧光团助力脑肿瘤的NIR-II区荧光成像

图3. a) 体外BBB模型的示意图。b) 不同样品随时间变化的穿越模拟BBB的效率。“NR”是疏水染料尼罗红。c) 小鼠脑子和离体的脑组织用不同样品处理的NIR-II荧光图片。d) 小鼠离体器官的荧光强度定量分析。“Apt”是靶向脑肿瘤细胞的aptamer,其通过杂交引入到PS-b-DNA纳米荧光团表面。这一成果近期发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition,IF:12.257)上,第一作者肖凡为2017级南科大-哈工大联培博士生,田雷蕾副教授为唯一通讯作者,南方科技大学为唯一通讯单位。南科大材料系梁永晔教授提供了NIR-II荧光成像的相关指导。南科大医学院刘泉副教授和林琳博士生提供了血脑屏障模型的指导。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):Organic Spherical Nucleic Acids for the Transport of a NIR‐II‐Emitting Dye Across the Blood–Brain BarrierFan Xiao, Lin Lin, Zhicong Chao, Chen Shao, Zhe Chen, Zixiang Wei, Jingxiong Lu, Yishun Huang, Lan-qing Li, Quan Liu, Yongye Liang, Leilei TianAngew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202002312田雷蕾副教授简介

田雷蕾博士,研究员,主要研究领域为制备功能性纳米材料及超分子自组装材料,并开发其在细胞成像、传感检测、诊断治疗等方面的生物医用应用潜力,是材料学、化学、生物学等多学科交叉的前沿课题。田雷蕾博士近年来在J. Am. Soc. Chem., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., ACS Nano, Anal. Chem. 等本领域知名期刊发表论文50篇,主持国家自然科学基金、深圳市基础研究项目等数项,为深圳市孔雀团队骨干成员。

田雷蕾http://www.x-mol.com/university/faculty/65932课题组主页http://faculty.sustech.edu.cn/tianll/科研思路分析

Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?A:聚合物点(polymer dots)已经被广泛地研究,然而其与DNA结合的研究还比较少。而且,在polymer dots表面高密度修饰DNA仍然存在挑战。因此,我们另辟蹊径,开发了一种通过超分子相互作用制备表面高密度DNA修饰的polymer dots的方法。这种方法具有普适性,因此制备出了NIR-II发光的DNA纳米荧光团。联想到其表面密集堆积的DNA簇,因而我们继续探索了其在穿越BBB和脑肿瘤成像中的潜力。Q:研究过程中遇到哪些挑战?A:这个课题还是具有很大挑战性的。首先是两亲性的PS-b-DNA的合成,由于是两个高分子的单末端的反应,其产率比较低,因此,我们花费了大量精力进行优化PS-b-DNA的合成。第二个是,BBB模型及原位脑瘤模型的建立,这些实验技术对于我们以材料设计为核心的课题组来说还是个比较大的挑战;通过积极和医学院交叉合作,我们才得以顺利完成了任务,也体会了到学科交叉的优势和乐趣。

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