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    ACS Nano:有機半導體聚合物納米粒子用于干細胞近紅外II窗光聲標記和示蹤

     
     

    人骨髓間充質干細胞(hMSCs)由于具有多能性而引起廣泛研究。目前常用熒光、MRIPET對其進行成像和示蹤,但都存在各自的缺點和不足。光聲成像(PA)是一種活體光學成像技術,它具有更大的成像深度及更高的空間分辨率。但是目前的光聲造影劑的生物安全性及近紅外一區(NIR-I)成像限制了其在干細胞成像及示蹤方面的應用。由半導體聚合物(SP)制備的有機半導體聚合物納米粒子(OSPN)具有用于成像和治療的優異光學性質。與一些無機納米材料相比,OSPN具有優異的光學性能,良好的生物相容性和較高的光熱轉換效率等優點,已被廣泛用于熒光,化學發光,長余輝和光聲成像,以及光熱和光動力治療。此外,SP的結構多功能性使得制備從紫外到NIR-II區域的不同吸收帶的OSPN成為可能。

    【成果簡介】

    近日,香港中文大學邊黎明教授聯合香港城市大學王立代博士、新加坡南洋理工大學浦侃裔副教授等,報道了具有近紅外二區(NIR-II)吸收性質的半導體聚合物納米粒子(OSPN+)并研究了其在活體深層組織內對干細胞的二區光聲追蹤效果。生物組織的比較研究表明,OSPN+NIR-II光激發PA成像比NIR-I光激發PA成像具有更高的信噪比,從而證明了OSPN+對深部組織成像的優越性。OSPN+具有良好的生物相容性,合適的尺寸和優異的表面特性,展現出增強的細胞攝取能力,可高效地對干細胞進行PA標記。體內研究顯示,與未標記的細胞相比,皮下和腦成像中移植的OSPN+標記的hMSCs細胞的NIR-II PA對比增強分別為40.621.7倍。該研究成果今日以題為Organic Semiconducting Polymer Nanoparticles for Photoacoustic Labeling and Tracking of Stem Cells in the Second Near-Infrared Window發表在知名期刊ACS Nano上。

    【圖文導讀】

    圖一:聚合物合成、納米粒子制備及在體內成像應用

    (a) OSPNs+的制備方法和體內干細胞標記示意圖;
    (b) OSPNs-
    OSPNs+的水溶液照片;
    (c)
    半導體聚合物的合成路線。

    圖二:OSPNs+的形貌、尺寸及光聲(PA)性質表征

    (a) OSPNs+TEM形貌;
    (b) OSPNs+
    OSPNs-DLS尺寸表征;
    (c)
    水溶液中OSPNs+OSPNs-Zeta電位表征;
    (d) OSPNs+
    水溶液的吸收光譜;
    (e) OSPNs+
    水溶液和純水的PA強度表征;
    (f)(g)(h)
    歸一化的OSPNs+水溶液在532nm860nm1064nm處的PA強度與濃度之間的線性關系(插圖:不同濃度下PA成像圖);
    (i)
    歸一化的OSPNs+水溶液在532nm860nm1064nm處的PA強度隨激光脈沖變化結果。

    圖三:OSPNs+hMSCs細胞的毒性、PA成像效果以及多能性影響

    (a) 孵育12小時后OSPNs+hMSCs細胞的毒性表征;
    (b) OSPNs-
    (左)和OSPNs+(右)與hMSCs細胞孵育12hPA成像圖(532nm);
    (c)
    OSPNs+標記的hMSCs細胞體外成像示意圖;
    (d) OSPNs-
    OSPNs+hMSCs細胞孵育后在860nm1064nm處的PA成像圖;
    (e) OSPNs+
    hMSCs細胞多能性的影響。

    圖四:不同成像深度下NIR-I PANIR-II PA成像效果對比

    (a) 不同厚度雞肉組織覆蓋下不同濃度OSPNs+溶液在NIR-INIR-II激發下的PA成像圖;
    (b)
    不同濃度下OSPNs+溶液在860nm處的信噪比與組織厚度的關系;
    (c)
    不同濃度下OSPNs+溶液在1064nm處的信噪比與組織厚度的關系;
    (d) OSPNs+
    溶液在860nm1064nmPA成像的信噪比與組織厚度的線性關系(【OSPNs+= 0.573 mg/mL)。

    圖五:OSPNs+的活體PA成像

    (a) OSPNs+標記與未標記的hMSCs細胞皮下移植后在不同時間點的超聲-光聲成像疊加圖像;
    (b) OSPNs+
    標記與未標記的hMSCs細胞裸鼠腦移植后的超聲-光聲成像(NIR-INIR-II)的圖像;
    (c) NIR-I
    NIR-II激發下OSPNs+標記的hMSCs細胞在裸鼠腦移植后的PA成像信噪比。

    【小結】

    本文報道了具有近紅外二區(NIR-II)吸收性質的半導體聚合物納米粒子(OSPN+)并研究了其在活體深層組織內對干細胞的二區光聲追蹤效果。生物組織對比研究表明,OSPN+NIR-II光激發下的PA成像效果明顯優于其NIR-I PA成像,從而證明了OSPN+在深層組織成像中的優越性。并且OSPN+具有良好的生物相容性、適宜的尺寸和優異的表面性質,這些都有利于增強細胞對OSPN+的吸收。體內研究顯示,與對照組相比,OSPN+標記的人間充質干細胞(hMSCs)在皮下和腦移植后的NIR-II PA對比分別增強了40.621.7倍。此外,NIR-IIPA成像在深部腦組織中表現出比NIR-IPA成像更高的信噪比(1.38倍),進一步證明了其對干細胞標記和追蹤的優越性。

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