纳米泡用于炎症的BRET-FRET生物发光成像

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

炎症是一种常见的免疫反应，在神经退行性疾病、动脉粥样硬化、癌症等多种疾病中都有重要作用。鲁米诺能够通过与炎症区域产生的髓过氧化物酶的发光反应从而实现对炎症的高灵敏的生物发光成像，但是受限于鲁米诺发射的光波长较短，这种检测只能被用于表皮组织炎症的成像。北京大学戴志飞（点击查看介绍）团队构建了一种新型的掺杂荧光染料的纳米泡，不仅能够用于超声造影成像，还能够有效地整合生物发光能量共振转移（Bioluminescence resonance energy transfer，BRET）及荧光能量共振转移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET），将鲁米诺产生的蓝光转换为近红外光，从而实现对深部炎症组织的高灵敏的生物发光成像。

图1. 鲁米诺与载染料纳米泡检测炎症示意图。

两种荧光染料DiI和DiD被同时掺杂进入纳米泡的脂质单层中得到了具有BRET-FRET功能的纳米泡（DiI-DiD nanobubble），炎症部位的中性粒细胞和巨噬细胞分泌MPO，与鲁米诺反应产生λmax为425 nm 的蓝光，该短波长光通过BRET及FRET激发纳米泡，最终发射出 λmax为670 nm的近红外红光（图1A）。小分子鲁米诺能够自由扩散至炎症深层部位（如肿瘤）与MPO反应，随后经BRET-FRET过程激发血管内的纳米泡进行生物发光成像。同时，纳米泡优良的超声造影功能又使得炎症部位可以通过超声成像被检测到（图1B）。

这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是北京大学博士研究生刘仁发和硕士研究生汤洁。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Bioluminescence Imaging of Inflammation in Vivo Based on Bioluminescence and Fluorescence Resonance Energy Transfer Using Nanobubble Ultrasound Contrast Agent

Renfa Liu, Jie Tang, Yunxue Xu, Zhifei Dai

ACS Nano, 2019, 13, 5124-5132, DOI: 10.1021/acsnano.8b08359

戴志飞博士简介

戴志飞，博士，北京大学工学院生物医学工程系教授，博士生导师。国家重点研发计划首席科学家、国家杰出青年科学基金获得者、教育部新世纪优秀人才。1998年于中科院理化所获博士学位并留所工作，先后前往日本、德国和美国工作。2005年被哈工大生命科学院引进回国，2012年加盟北大工学院生物医学工程系。主要从事药物靶向传递和缓控释、生物材料表面修饰、分子影像技术以及纳米生物传感器等。在相关领域发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表的ACS Nano.、Chem Soc Rev.、Adv Mater.、Adv Funct Mater.、Theranostics.等。曾获国家杰出青年科学基金获得者、黑龙江省杰出青年基金获得者、龙江学者特聘教授、教育部新世纪优秀人才等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/18974

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：炎症在很多疾病中都有重要作用，因此开发用于炎症成像的探针一直是研究的一个热点。目前荧光成像是研究的比较多的一种成像方式，但是传统的荧光成像主要面临着组织特异性低的问题。鲁米诺被报道能够在活体条件下与炎症部位的髓过氧物酶特异性反应从而被用于炎症的生物发光成像，这种成像具有很高的特异性，但是主要问题是受限于鲁米诺发出的光波长较短，仅仅用于表皮炎症的成像，并且时间空间分辨率都很低。因此这项研究中我们设计一种掺杂荧光染料的纳米泡，通过与鲁米诺联用，利用荧光染料的能量传递作用，实现了深层炎症组织的炎症成像。同时将生物发光与超声成像的结合，既有效利用了生物发光高特异性、高信噪比和安全经济的优点，又成功避免其空间分辨率低、穿透性差的缺陷；而将传统微米级的超声对比剂制备为纳米级，可实现同等气体浓度条件下，得到更优良的超声成像效果。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本研究中主要的挑战是荧光染料及其掺杂比例的选择和优化，以及如何同时保证造影剂的荧光和超声性能，这得益于我们实验室在多功能超声造影剂的研制方面取得的研究积累，为这些问题的解决提供了许多帮助。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：炎症在神经退行性疾病、动脉粥样硬化、癌症等多种疾病中都有重要作用，因此对炎症的精准成像可实现对着些疾病的诊断。本研究设计了一种超声、生物发光双模态的炎症成像的探针，能够实现深层组织的炎症进行成像，有利于解决目前临床和基础研究中对炎症成像的需求。由于这种探针制备简单，成本低廉，容易规模化生产，可以进一步开发用来作为炎症诊断试剂来满足临床和基础研究的需求。