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AMR | 欢迎乘坐多通道稀土纳米专线:下一站,高效疾病诊断

近日,首都师范大学周晶教授团队的AMR述评文章“Multichannel Lanthanide-Doped Nanoprobes Improve Diagnostic Performance”作为第三期的内封面文章发表。作者团队分享了在设计多通道掺杂镧系元素的纳米探针以提高生物分子检测和诊断性能方面的最新进展,欢迎读者朋友提问交流。

作者简介


周晶,现任首都师范大学化学系教授。主要从事新型生物纳米材料的开发与应用的研究,具体方向为:1)基于多功能复合纳米材料的恶性肿瘤诊疗一体化研究;2)基于无机稀土荧光探针的活体小分子监测与疾病逻辑诊断研究;3)基于光功能聚合物纳米材料的高效抑菌与机理研究。曾获得上海市研究生优秀成果(学位论文)(2014);中共北京市委组织部“北京市高层次创新创业人才支持计划”青年拔尖人才(2015);北京市教育委员会“北京市属高校高水平教师队伍建设支持计划”青年拔尖人才(2019)。


刘瑜鑫,马克斯-普朗克胶体与界面研究所博士研究生(TVöD 合同),2017-2020年期间跟随首都师范大学化学系和北京市光功能材料重点实验室周晶教授开展工作,并取得物理化学硕士学位。主要研究方向是新型多通道纳米探针及微阵列的构建与生物应用。


魏征,阿姆斯特丹大学博士研究生(获CSC奖学金资助),2017-2020年期间跟随首都师范大学化学系和北京市光功能材料重点实验室马占芳教授开展工作,并取得物理化学硕士学位。主要研究方向是电化学探针及功能电极的构建与生物传感应用。


廖先泉,首都师范大学化学系在读硕士生,导师:周晶教授。主要研究方向是光热转换纳米材料的制备及其在太阳能抑菌和肿瘤光热治疗中的应用。

请您简要描述一下这篇Account所介绍的研究及其重要意义。


医学诊断技术在健康领域具有极为重要的地位。它们不仅能够揭示和跟踪疾病的发生和发展过程,同时也能够作为评价治疗效果的手段。近年来,由于纳米材料研究的深入,纳米医学诊断领域受到了研究者们的广泛关注。同时,作为诊断工具的纳米探针也得到极大发展。通过构建异质结构和表/界面功能化等手段,这些纳米探针能够具有两种及以上的信号通道。而近期的一些工作表明,与单一信号通道的探针相比,多信号通道的纳米探针在医学诊断领域具有更为出色的表现,这主要可以归结于以下两个因素:首先,通过多个信号通道能够在一次测试中获得更多的诊断信息,能够避免细节信息遗漏并减少假阳/阴性的发生;其次,不同的信号采集所需要的仪器设备与操作均不相同,这也为诊断的操作者提供了更多的选择。因此,具有多信号通道的纳米探针是更为理想的高效医学诊断工具。

利用镧系稀土元素独特的电化学、光学和磁学等性质,我们课题组构建了具有多信号通道的稀土纳米探针,并初步探讨了利用多信号通道提升诊断效果的可行性。在这篇Account中,我们基于在自身工作中取得的结果和问题,针对多通道稀土纳米探针及其在高效医学诊断中的应用进行了讨论。首先,我们简要概述了常见的能够用于多通道稀土纳米探针构建的信号类型,并介绍了其产生原理与优缺点。此外,我们还总结了能够在单一稀土纳米探针中有效集成多个信号通道的通用方法。通过选取适合的信号和方法,我们能够根据诊断的实际需要为其量身定制所需要的多通道稀土纳米探针。最后,我们从探针制备和诊断应用这两个主要方面都这一领域面临的挑战和研究方向提出了自己的看法与意见。

我们希望这一Account能够为多通道纳米探针在医学领域,尤其是先进医学诊断技术的发展提供一些有价值的参考信息。


请问您选择该领域的初心是什么?


稀土纳米材料作为荧光探针表现出无生物自发荧光、高灵敏、深穿透、无闪烁等一系列优势,在疾病诊断研究领域受到了研究者的广泛关注,稀土纳米探针在血清生物分子检测及疾病的成像诊断中具有良好的应用前景。我们一直从事稀土纳米探针的制备及其生物检测应用研究,特别是构建多功能的稀土纳米探针并将其应用于疾病的多模式成像中。近年来,我们还构建了系列稀土纳米荧光探针,并实现了生物过程在小分子水平的动态实时检测,并针对相关疾病血清生物分子水平变化进行了研究,构建了相应的检测探针,将生物分子荧光检测延伸至疾病诊断领域。但是,目前报道的稀土纳米探针存在诊断准确度低、线性检测范围小等缺陷。鉴于此,我们课题组开创性地提出了多信号通道检测等概念,将多种信号的功能集成于稀土纳米探针平台,利用多种信号的优势互补性,应用于高效血清学疾病诊断领域,大大提升了诊断的准确度。

请举一个典型的多信号通道诊断探针例子。


针对血清学疾病诊断中假阳/阴性率高的问题,开发了稀土-水凝胶纳米复合探针,实现了电化学、荧光和光热信号通道的集成。在血清学标志物H2S存在的生理环境中,与探针中Cu2+反应生成CuS,因此复合探针的三信号通道同时发生变化,电信号减弱,稀土的荧光信号被淬灭,同时CuS是一种光热转换材料,发生光热转换效果。因此该复合探针可以实现单一信号分子的多信号通道同时检测。通过三信号通道检测和阈值优化的策略,获得了比传统单一通道诊断(79.5-94.1%)更高的诊断准确率(99.0%)。同时,设计开发了配套使用的仪器设备,有望将这一方法运用于精准临床生物分子水平评估和重恶性疾病的诊断当中(Nat. Commun., 2019, 10, 5361)。

多信号通道诊断原理及配套设备示意图


有什么科研心得想分享给读者们?

我们认为科学研究不应该是“无源之水,无根之木”。我们坚信无论多么高深晦涩的研究,它终有一日会以某种你意想不到的方式飞入寻常百姓家里的。所以,我们在进行课题设计的时候会以现有的实际问题为出发点,形成一种问题导向的设计模式。这样不仅使课题的设计更有深度,同时也可以促进我们的研究积极性。这样的感觉就好像是在进行一种解密游戏一样,去探寻存在或真理中的未知,发现并想办法解决它。之后再细细地品味这一过程,就会发现,这比人生中大多数事情都要有趣多了。

扫码阅读周晶教授团队的精彩Account文章:



Multichannel Lanthanide-Doped Nanoprobes Improve Diagnostic Performance

Yuxin Liu, Zheng Wei, Xianquan Liao, and Jing Zhou*


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.0c00049?ref=xmol



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