近期香港科技大学/香港中文大学(深圳)唐本忠院士联合澳门大学刘子铭教授、徐昌活助理教授等人通过调节供体受体(D-A)分子供体结构,制备出可被近红外二区双光子激发的“0背景双光子γ-谷氨酰转肽酶(γ-Glutamyl TransferaseGGT)聚集诱导发光(AIE)探针。

该探针在非激活状态下具有完美荧光暗态,在双光子激发时在细胞与组织成像中兼具1000倍与400倍的开关比,可以灵敏的监测细胞与生物体内的GGT酶表达,对转移瘤的早期监测与诊断提供了一种创新方法。相关研究成果以标题 “A
Near-Infrared-II Excitable Pyridinium Probe with 1000-Fold ON/OFF Ratio for
γ-Glutamyltranspeptidase and Cancer Detection”
发表于《ACS Nano》。港科大博士研究生沈翰辰,澳门大学博士研究生杜立冬为本文的共同第一作者。

研究背景:

癌症早期的精确诊断,是最有效提高病人获益的方式之一,让医生可以更早的干预癌症进展。相较于传统的正电子发射断层扫描与核磁共振成像,双光子条件下的近红外二区成像减少了精确诊断的成本,提高了安全性以及空间分辨率。然而荧光诊断亦面临艰难险阻,比如:如何让诊断变得更加特异性;如何降低荧光背景,提高探针荧光强度等等。诚然,科学家们已经可以成熟的联合可触发分子开关提高探针特异性,通过化学脱笼的方式,释放荧光基团。如何降低荧光背景,是一项挑战。由此,暗态工程在分子荧光探针中被认为是减少背景干扰的有效方法,AIE荧光基团根据其聚集后发射增强的特性是实现暗态工程的可靠候选。

实验结果:

1. 亮了亮了

团队首先设计了两款强D-A效应的AIE荧光分子(OTBP/ODBP),它们具有不同的限制分子内运动(RIM)效应与水溶性。对于ODBP分子,在缺失一个苯环的情形下,具有更好的水溶性,同时削弱了其在水中形成紧密聚集体的能力,导致其无法将RIM效应达到最大化。与ODBP相反,多一个苯环的引入使得OTBP在水相中易形成微晶,获得了极强的RIM效应,表现出更优异的AIE性质和更亮的近红外(670 nm)发光。在将OTBPODBP与可化学脱笼的谷氨酸基团结合后,得到了可特异响应GGT酶活性的OTBP-GODBP-G,链接谷氨酸基团的吡啶盐可以促进扭转的分子内电荷转移效应得到完美的荧光暗态。在被GGT酶识别后,AIE分子再次回到强RIM状态并激活聚集状态下的荧光,从而实现1000倍的点亮开关比!

1. OTBPODBP的光物理性质表征,OTBP表现出更强的RIM作用并拥有更亮的近红外荧光发射。

2. 双光子下的癌细胞精准识别
团队实验发现,OTBP分子可以高效的响应双光子(1040 nm)激发,因此我们可以将激发波长红移至NIR-,这样不仅可以提升组织穿透率,并且提高成像质量。在1040 nm双光子激发下,OTBP-G可灵敏的响应具有GGT表达的多种癌细胞。并且在免洗状态下可实现大于900倍的信噪比。同时,OTBP-G表达出超高的化学脱笼灵敏度!GGsTOP抑制实验表明,竞争性结合细胞表达的GGT后,OTBP-G不可被激活。将细胞系混合培养后,OTBP-G也可以精确的识别出表达GGT的癌细胞。这种快速精确的响应效果对于临床病理快速诊断具有指导意义。

2.OT(D)BP-G的安全性评价,以及精准识别高GGT表达的多种癌细胞系。
3. 双光子下的微环境GGT监测
团队实验发现,OTBP-G不仅可以迅速响应内循环中GGT,并且依然达到了近400倍的开关比。且具备快速光学组织切片能力,可提供组织器官中GGT表达情况。双光子激发不仅增加了组织成像的穿透深度,同时提供了更多的微环境参考信息,如(二次谐波产生标记的胶原纤维,图3a绿色部分)

图3.OTBP-G的小鼠体内GGT快速识别,以及光学组织切片。

4. 原位乳腺癌检测和癌症早期转移筛查

最后,团队成功地利用OTBP-G在原位乳腺癌症模型中进行肿瘤成像,并且依据先前实验结果中肺部GGT表达缺失的特点,通过局部喷雾和快速光学切片对乳腺癌肺部转移进行早期光学诊断(图4e)。这些结果表明OTBP-G具有广阔的应用前景。

4. OTBP-G用于原位乳腺癌成像以及局部喷涂实现乳腺癌肺部转移的早期光学诊断。

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参考文献

A Near-Infrared-II Excitable Pyridinium
Probe with 1000-Fold ON/OFF Ratio for
γ-Glutamyltranspeptidase and Cancer
Detection. 
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03963.