基于半导体共轭聚合物纳米粒子的多模态生物光子学

生物光子学作为交叉学科的前沿研究领域在现代生物医疗中发挥着重要作用。光学造影剂在生物光子学中通常用来将生物分子水平的信息转变为可读的光学信号用于成像或诊断，或者是将光子转变为其他形式的能量（例如热能、机械力或者自由基等）用于疾病治疗或生物调节。与其他光学造影剂相比，半导体共轭聚合物纳米粒子（SPN）具有生物相容性好，光稳定性强，吸光系数、光热转换系数高等优点。此外，这类纳米粒子的光物理性能可以通过合理的分子结构设计来调节，可响应的光学波段深达近红外二区（1000-1700 nm）。简易的纳米粒子制备方法也可以通过灵活的表面修饰适用于多种多样的生物作用过程。

近日，新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院的浦侃裔教授研究团队应Accounts of Chemical Research 杂志邀请，对半导体共轭聚合物在多种生物光子学方面应用的相关研究成果进行了总结，并对其应用前景做出展望。

作者从分子结构设计、分子余辉成像、光声成像、光控生物活动、癌症诊疗五个方面进行归纳和介绍。首先，结合在生物光子学中对应的光物理过程，文章讨论了半导体共轭聚合物的分子合成机理和单体选择对光学性能的影响，并介绍了典型的纳米粒子制备与表面修饰方法。近年来新兴的余辉成像依赖于具有特殊光学性能的聚对苯乙炔类SPN（例如MEHPPV），它能够将吸收的激发光能储存起来，在光源停止后仍有半衰期长达6分钟的余辉发光。这种不需要实时激发的成像方式有效避免了生物自荧光的信号干扰，可以达到超高的信背比和灵敏度。此外，由于SPN具有优异的光热稳定性和光热转换效率，可用于光声成像。近红外吸收的SPN能够将吸收的光能转变为在生物组织中散射更少的超声波，从而实现高对比度、高空间分辨率的深层组织成像。采用近红外二区强吸收的SPN (1064 nm)更是可以实现深达厘米级别的组织穿透深度。截至目前，基于SPN的光声或余辉分子成像探针已用于临床前动物模型病灶部位（肿瘤等）的成像、生物标记物（生物巯基化合物、活性氧等）、生理指标（pH、温度等）的活体检测等。

SPN灵活的合成路径也使其在光控生物过程和疾病治疗方面具有极大的发展。具有较高光热转换效率的SPN可用作光热转换器来远程调控生物活动，例如控制神经细胞中钙离子通道的开关、调控基因表达、光热激活菠萝蛋白酶等。此外，结合SPN可调的光学性能、较理想的生物分布和肿瘤被动靶向能力，SPN在癌症诊疗方面也具有广阔的应用前景。SPN不仅可用于采用近红外二区光源的深度杀伤光热疗法，还可以和无机材料结合显著增强光热治疗效果，或者用于具有自调控特性的光动态疗法。最后，该综述论述了现阶段SPN在生物光子学领域发展面临的挑战和机遇，并提出了相应建议。

该论文作者为：Yuyan Jiang, Kanyi Pu

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Multimodal biophotonics of semiconducting polymer nanoparticles

Acc. Chem. Res., 2018, 51, 1840, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00242

浦侃裔博士简介

浦侃裔，现任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院副教授；2011年于新加坡国立大学获得博士学位，同年作为博士后加入斯坦福大学从事分子影像学研究，2015年起以副教授受聘于NTU；课题组的研究方向侧重于有机光学纳米和分子探针在疾病诊疗与药物筛选中的应用；自2015年课题组成立至今，以通讯作者身份在国际主流期刊上发表高水平文章60多篇（包括Nat. Biotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等）。