girl move on
拉曼光谱是一种通过检测分子的非弹性光散射,获取其分子振动和转动信息的光谱技术。作为荧光或其它成像方式的补充,拉曼光谱成像具有“指纹图谱”的高特异性、信号不易光漂白、易实现多重成像等优点,成为分析化学、材料科学和生物医学领域前景广阔的成像技术。但是,每 1000 万个入射光子中仅有 1 个会发生拉曼散射,因而小分子的自发拉曼成像信号是极微弱、难以检测的。为增强信号,目前策略主要依赖于表面增强拉曼散射(SERS)技术,即通过在金、银等基底材料表面吸附拉曼小分子,使信号放大108-1011倍,以实现高灵敏成像[1,2]。SERS技术自2006年用于活体成像以来获得了显著进展[3,4]。然而,这些SERS基底材料存在生物安全性问题,成为长久以来制约拉曼光谱成像技术在活体生物医学应用及转化的瓶颈问题[5]。
近日,上海交通大学医学院肖泽宇教授、复旦大学陆伟教授、中国科学院杭州医学所方晓红教授团队合作,在Nature Biotechnology期刊在线发表了题为 “Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo” 的研究论文,揭示了一类特定结构的小分子,不需要依赖基底,仅通过自身的有序堆叠,实现在活体中的高灵敏拉曼成像,并提出一种新的拉曼散射增强机理-“堆叠诱导电荷转移增强拉曼散射(SICTERS)”。该研究为设计生物安全的高灵敏拉曼影像探针,并推进拉曼影像分析技术的活体生物医学应用提供了新思路。
Nature Biotechnology杂志在同期以“Small molecules self-organized in an orderly manner to enhance Raman signals ”为题,对该工作从领域问题、科学发现、未来方向等方面进行了详细的亮点介绍,并配发了国际同行专家的评价,认为“这个原创性的工作代表了活体拉曼生物成像技术的突破,并有潜力将其应用于临床-This original and innovative work represents a breakthrough for in vivo Raman bioimaging and its potential translation to clinical use.”
在本工作中,研究团队揭示一类以双噻吩基取代作为供体(D)、苯并双噻二唑作为受体(A)的共轭有机小分子(如BBT)。该类分子具有 D-A-D 的平面构象和平面内的多环振动模式;分子能够在空间中有序自堆叠,使其相邻分子间D和A单元的间距在3.6Å左右,促进了相邻分子供体D和受体A单元间在分子内及分子间的电荷转移。一个受体可以完全接收来自六个供体(D2-A--D4)的电子,其中包括两个分子内供体和四个分子间供体。同时,一个供体可以向三个受体(A-D--A2)提供电子,包括一个分子内受体和两个分子间受体(图1a)。这样的空间排列及相互作用重新调整了电荷分布,形成了新型的三维电荷转移,显著增加分子自身极化率,并增强拉曼散射。研究团队将此类增强拉曼散射定义为堆叠诱导电荷转移增强拉曼散射(SICTERS)。
为实现活体生物医学应用,研究团队进一步开发了SICTERS探针—临床可用的DSPE-PEG剂型包覆的BBT纳米粒(BBT NPs),该纳米剂型显著提升了BBT在体内系统循环时的稳定性。此外,研究人员制备了与BBT NPs尺寸相近的SERS探针—金纳米粒(Au NPs),并进行了拉曼散射增强能力的定量比较。研究表明,基于SICTERS技术的BBT NPs每个粒子的拉曼散射截面是基于SERS技术的Au NPs的1350倍。重要的是,基于SICTERS技术的BBT探针在组织脏器中的分布水平随时间推移显著降低,并经肝脏代谢粪便排出,血液学及组织学分析也展示了生物安全性;而SERS技术的金探针在肝脏等组织脏器中长期滞留,难代谢消除。
最后,研究团队探索该技术用于活体术中微小肿瘤成像、无创淋巴回流成像及微小血管成像等生物医学应用。结果表明,SICTERS探针能以最低1mg/kg的给药剂量(相比SERS探针4mg/kg)实现术中对微小肿瘤的高分辨成像,并指导切除,降低术后复发及转移。重要的是,SICTERS探针能够活体无创的对淋巴回流及微小血管(~11微米)进行高分辨拉曼成像,这是SERS探针难以实现的(图1b)。
图1:(a) 堆叠诱导电荷转移增强拉曼散射(SICTERS)机理:具有D-A-D平面结构的小分子通过自身有序堆叠,促进了平面内和平面外的分子间电荷转移。这种空间排列重新调整了电荷分布,实现了三维电荷转移,从而大大增加了共振拉曼散射。 (b) SICTERS探针用于活体术中微小肿瘤成像、非侵袭性淋巴回流成像,非侵袭性腹部皮下微小血管成像。
综上,SICTERS在活体拉曼成像分析方面具有两个显著优势:首先,SICTERS不依赖于基底增强,从而避免SERS可能带来的生物安全性问题;其次,SICTERS技术在活体成像的灵敏度、空间分辨率和成像深度方面均优于SERS。SICTERS作为一种新的增强拉曼散射增强机理,为拉曼成像探针的分子设计提供了新的方向。
上海交通大学医学院肖泽宇教授、复旦大学陆伟教授、中国科学院杭州医学所方晓红研究员为该论文的共同通讯作者。高帅博士、张永明博士、崔凯助研为该论文的共同第一作者。本研究得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金委重大研究计划、国际(地区)合作项目,上海市科委重点专项、上海市卫健委学科带头人计划等多项资金的资助,及教育部-上海市生物医药临床研究与转化协同创新中心(简称:教育部生物医药创新中心)的支持。
【通讯作者简介】肖泽宇教授,上海交通大学医学院特聘教授,国家海外高层次青年人才,上海市卫生健康学科带头人,上海市高层次人才,教育部生物医药创新中心分子影像学平台负责人。肖泽宇课题组主要致力于活体拉曼影像探针的创制及及诊疗应用,取得主要成果:(1)创制“小分子自增强”的活体高灵敏、无基底拉曼影像探针,解决了拉曼信号依赖金银等基底材料来增强面临的安全性隐患(Nat Biotechnol 2024,Anal Chem 2024,Nano Lett 2022);(2)发明“DNA模块化”的诊疗探针自动化、精确构筑策略,解决了拉曼影像探针在整合治疗、靶向等多功能时的质控难题(Chem 2023,CCS Chemistry 2023,Adv Sci 2024);(3)拓展拉曼影像在微小病灶术中可视化、药物剂量原位动态可视化、分子靶标可视化的活体诊疗应用,为个性化精准诊治提供有转化价值的前沿技术(Nat Commun 2019, Research 2023, ACS Nano 2018,2019,2022, Nano Lett 2019,Biomaterials 2022,Anal Chem 2018)。在本领域国际权威杂志发表论文60余篇,引用达7300多次,3篇入选ESI高被引论文,申请国际及国家发明专利14件,已授权9件(含PCT 2件),1件专利成果在人体临床研究中展示安全性及有效性。课题组长期招聘博士后、科研助理,欢迎具有光学探针设计及机理研究、有机化学合成、纳米药物研发相关学术背景的博士生及硕士生加盟。联系邮箱:xiaozeyulab@163.com
原文链接: https://www.nature.com/articles/s41587-024-02342-9
参考文献:
1. Fleischmann, M. et al. Spectra of pyridine at a silver electrode. Chem. Phys. Lett. 26, 163–166 (1974).
2. Langer, J. et al. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano 14, 28–117 (2020).
3. Stuart, D. A. et al. In vivo glucose measurement by surface-enhanced Raman spectroscopy. Anal. Chem. 78, 7211–7215 (2006).
4. Qian, X. et al. In vivo tumor targeting and spectroscopic detection with surface-enhanced Raman nanoparticle tags. Nat. Biotechnol. 26, 83–90 (2008).
5. Dykman, L. & Khlebtsov, N. Gold nanoparticles in biomedical applications: recent advances and perspectives. Chem. Soc. Rev. 41, 2256–2282 (2012).
[来源:仪器信息网] 未经授权不得转载
2024.09.18
国产化率超90%!重庆国科医创科技发展有限公司研发共聚焦显微拉曼光谱仪新品希百特R310
2024.09.03
2024.08.30
2024.08.30
四方仪器激光拉曼光谱气体分析技术入选《2024年度智慧化工园区适用技术》目录
2024.07.16
版权与免责声明:
① 凡本网注明"来源:仪器信息网"的所有作品,版权均属于仪器信息网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:仪器信息网"。违者本网将追究相关法律责任。
② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。
③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为默认仪器信息网有权转载。
谢谢您的赞赏,您的鼓励是我前进的动力~
打赏失败了~
评论成功+4积分
评论成功,积分获取达到限制
投票成功~
投票失败了~