叶德举课题组关于多模态分子影像探针与活体分析方面的研究进展

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多模态分子影像探针的设计与开发能有效促进生物医学研究和临床疾病诊断，尤其是同时整合近红外 (NIR) 荧光和磁共振成像 (MRI) 的双模态探针在恶性肿瘤的早期诊断和术中荧光导航应用中可以提供更准确的信息。虽然，人们已经报道了一些NIR荧光/MRI双模态小分子探针，然而这些探针大多数都是“常亮型”，导致背景高、肿瘤与正常组织的信噪比较低，难以有效区分肿瘤边界。而设计一种“激活型”NIR荧光/MRI双模态小分子探针，可以有效降低背景，提高信噪比，对肿瘤的实时诊断和术中导航具有重要意义。然而，由于缺少有效的构筑方法，目前能够同时产生NIR荧光和MRI成像信号激活的小分子探针还难以实现。
    近日，南京大学化学化工学院生命分析化学国家重点实验室叶德举课题组在前期开展的激活型分子影像探针的构建与活体分析（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 16340; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4886; Nano Lett. 2019, 19, 937; ACS Nano 2016, 10, 10075）的工作基础上，提出了把荧光激活反应（Fluorogenic reaction）和细胞原位自组装（In situ self-assembly）相结合，发展了适用于构建“激活型”NIR荧光/MRI双模态小分子影像探针的新策略，应用于活体上高分辨率的MRI和高灵敏度的NIR荧光成像分析（图1）。通过以碱性磷酸酶（ALP）作为模型检测靶标，设计并合成了ALP特异性激活的NIR荧光/MRI双模态探针P-CyFF-Gd，可以在肿瘤细胞膜表面表达的ALP作用下，产生快速的荧光激活反应催化P-CyFF-Gd去磷酸化，释放出疏水性的NIR荧光产物CyFF-Gd；接着，CyFF-Gd进一步发生快速的分子自组装形成磁性纳米粒子，从而限制了Gd-配合物的旋转，显著提高了r1弛豫率；原位自组装形成的纳米颗粒能锚定在细胞膜上，引发细胞内吞，进而转运到溶酶体中，提高其在肿瘤细胞中的蓄积。动物成像实验结果表明，P-CyFF-Gd注射到小鼠体内后，能在ALP高表达的肿瘤中产生同时增强的NIR荧光和-MRI信号，从而能够无创、实时检测ALP的酶活性和表达位置，进而成功描绘小鼠肝部原位移植肝肿瘤的边界，用于准确引导肝肿瘤的手术切除。这种策略可以作为一种通用性的方法，用于构建其它生物标志物激活的NIR荧光/MRI双模态小分子影像探针，应用于疾病的诊断和影像引导的疾病治疗。

多模态分子影像探针

图1. “激活型”NIR荧光/MRI双模态小分子影像探针的设计新方法与活体分析研究。（a）设计的ALP激活的双模态探针P-CyFF-Gd的化学结构和作用机理；（b）P-CyFF-Gd在活体上对ALP检测的作用过程；（c）P-CyFF-Gd在活细胞水平的荧光成像；（d）冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）分析肿瘤细胞表面形成并粘附的自组装纳米颗粒；（e, f）小鼠体内原位肝癌的NIR荧光和MRI成像。

    该工作以“Activatable NIR Fluorescence/MRI Bimodal Probes for in vivo Imaging by Enzyme-Mediated Fluorogenic Reaction and Self-Assembly”为题发表在J. Am. Chem. Soc. 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b03649上。我院硕士研究生颜润琦和博士研究生胡宇轩同学为共同第一作者，叶德举教授为通讯作者，陈洪渊院士对此项工作给予了重要指导，生命分析化学国家重点实验室的刘飞研究员在冷冻扫描电镜实验给予了有力帮助。此研究得到了国家重点研发计划重点专项（2017YFA0701301）、国家自然科学基金（21775071、21632008）、南京大学卓越计划（ZYJH004）和中央高校基本科研业务费（020514380185）等经费支持。

叶德举，男，1983年生，南京大学教授，博士生导师，中组部“青年##计划”入选者（2015年）。2004年从南京大学化学化工学院获得化学学士学位，2009年在中科院上海药物所获博士学位，导师是蒋华良研究员和柳红研究员；2009年-2014年9在美国斯坦福大学医学院分子影像学中心Jianghong Rao教授课题组进行博士后研究。2014年10月聘任南京大学化学化工学院副教授，2015年6月聘任南京大学教授。从事的研究方向主要是面向疾病标志物开展多模态分子影像探针设计、活性检测以及细胞和动物活体成像研究。目前已在Nat. Chem., Angew. Chem. Int. Ed.,等国际著名学术期刊发表论文30余篇，申请专利4项，授权3项。曾获2008年中国化学会优秀论文奖、2011年美国国立癌症研究所纳米生物技术会议优秀墙报奖、2013年世界分子影像学会议优秀论文奖和亮点文章等。