【人物与科研】唐本忠院士和丁丹教授Chem：分子内运动促进荧光-光声-拉曼成像并用于精确手术导航

精准的肿瘤成像对于癌症手术的成功起着至关重要的作用，对于癌症患者而言，切除全部的肿瘤病灶是彻底治愈癌症和延长生命的关键。然而，现有的成像技术无法同时满足肿瘤切除不同阶段对成像技术的要求。比如荧光成像技术，虽然具有高的灵敏度，但其穿透深度和空间分辨力较差；光声成像技术能够提供较好的穿透深度和高的空间分辨率，但灵敏度却不高；拉曼成像虽然灵敏度不及荧光成像，而且存在谱峰纷杂的问题，但在细胞静默区（1800-2800 cm^-1）可以实现高信噪比和零背景干扰的检测，对活体组织的检测很有效。因此，如何整合荧光、光声和拉曼三种成像技术的优点，实现对病灶区域的准确成像，是提高肿瘤手术成功率的关键。目前常用的制备多模式成像试剂的方法是将不同的试剂结合在一个体系中，即将不同功能的多个组分结合（all-in-one），以发挥其各自的作用。该策略虽然有效，但是却面临组成复杂、重复性差等问题，因而限制了其临床转化。另一种策略是单一分子同时具有多种性能（one-for-all），这种探针的组分简单、结构明确、可重复性好、具有更好的临床转化前景。但是这种探针的设计和优化很困难，例如荧光、光声和拉曼成像对应不同的光物理过程，同时优化这些性质非常具有挑战性，因此鲜有报道。近日，香港科技大学唐本忠院士和南开大学丁丹教授合作，首次报道了单一分子能够同时产生荧光、光声和拉曼三种信号（one-for-all），并且通过调节分子结构和分子内运动，可以使这三种性质同时达到最优化的水平，并用于手术不同阶段的导航，大大提高了肿瘤切除手术的成功率和存活率。该工作近期发表于Cell姊妹刊Chem（IF:18.2, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.07.015）。

唐本忠，中国科学院院士，香港科技大学张鉴泉理学教授，化学系与生物医学工程系讲座教授，华南理工大学-香港科技大学联合研究院院长。1982年于华南理工大学获学士学位，1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位；曾在多伦多大学化学与药学系从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员；1994年至今历任香港科技大学化学系助理教授、副教授、教授、讲座教授、张鉴泉理学教授；2009年当选中国科学院院士；2013年入选英国皇家化学会Fellow；2012年起受聘为华南理工大学双聘院士；2012年至今担任华南理工大学-香港科技大学联合实验室主任；2015年至今担任国家工程技术研究中心香港分中心主任。现为科技部973计划项目首席科学家，国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人，广东省引进创新科研团队带头人，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室学术委员会主任，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编。唐本忠院士累计发表学术论文1200多篇，累计引用85000余次，h-指数为135，并于2014-2018年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家。同时，唐本忠教授先后获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017，第一完成人）、何梁何利科学与技术进步奖（2017）、第27届夸瑞兹密国际科学奖（2014）、美国化学会高分子学术报告奖（2012）、国家自然科学二等奖（2007，第四完成人）、裘槎高级研究成就奖（2007）、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖（2007）和爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖（2007）等。

丁丹，南开大学生命科学学院生物活性材料教育部重点实验室、药物化学生物学国家重点实验室教授、博士生导师。课题组的研究方向为新型分子影像探针的设计、制备与生物医学应用。课题组主要基于“聚集诱导发光”（AIE）荧光分子等富含分子内运动单元的有机高分子，结合生物医用高分子材料设计、制备新型分子影像探针，探索其在重大疾病诊断与治疗以及疾病发生发展机制研究等方面的生物医用。丁丹于2005年本科毕业于南京大学化学系，2010年毕业于南京大学高分子系并获得理学博士学位，师从蒋锡群教授。其后赴新加坡国立大学化学与生物分子工程系刘斌教授课题组从事博士后工作，在此期间在刘斌教授以及香港科技大学唐本忠院士的合作指导下完成了AIE材料生物医用领域的早期探索，2013年3月入职南开大学，其后赴香港科技大学唐本忠院士课题组进行交流学习。入职南开大学以来，丁丹入选了南开大学“百名青年学科带头人”等培养计划，并获得了国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目的资助。近5年以通讯/共同通讯作者发表论文40余篇，其中半数发表在影响因子>10的期刊上，H因子为41。

分子内运动促进荧光-光声-拉曼成像并用于精确手术导航

唐本忠院士团队提出的聚集诱导发光（AIE）概念在生物医学成像和治疗方面展现出了很好的应用前景，其主要思想是通过调控和利用分子内运动。不仅是发光方面，控制分子内运动还有望将分子的荧光、光声和拉曼等看似矛盾却相关的光学性质整合在一起并最大化其生物医学应用效果。唐本忠院士和丁丹教授合作制备出同时具有近红外荧光、光声和拉曼信号的one-for-all型有机分子探针，利用不同成像模式的优点，将该探针应用于手术前和手术中的不同阶段可以有效地提高肿瘤手术效果（图1）。该研究证明通过调节分子内运动使荧光、光声和拉曼几种性质同时达到最优化，将微观的分子内运动与多种宏观的生物应用有机地结合起来，大大拓展了AIE概念在生物医学领域的应用潜力。

图1. 有机分子探针用于肿瘤手术前荧光/光声成像和手术中荧光/拉曼成像

研究团队首先合成了具有不同取代基的三种分子（图2），并对比光物理性质和成像结果。它们都具有典型的AIE性质，尤其是OTPA-TQ3具有最大和最扭曲的取代基，因此其荧光增强最明显，具有最高的荧光量子产率。通过对比不同粘度环境下的光声性质发现，随着体系粘度的降低，分子的运动能力增强，因此光声性质也得到提高；进一步对比不同聚集状态（有机溶液，水溶性的纳米粒子和大的聚集体）的拉曼信号强度发现，随着分子运动能力的增加，拉曼信号也大大增强（图3）。更有意思的是，这些性质的影响在大体积取代基的分子中表现得更为明显。因此，含有大体积取代基（苯基-炔基-苯基）的OTPA-TQ3分子同时表现出最佳的光学成像性质。

图2. 分子的结构、最优构型和基本光物理性质

图3. 不同运动状态下的光声和拉曼性质

荧光、光声和拉曼信号都源于外部光源的激发，其中荧光和光声信号分别涉及激发态荧光分子的辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程，拉曼信号则来自于虚态能级的振动弛豫。三种过程都与分子的运动密切相关，当分子运动变强时，光声和拉曼光谱信号得以增强，荧光强度则被削弱，因而在同一个有机分子中同时促进两种竞争过程，是十分困难的。该研究工作中有机分子探针的优异性质主要归因于以下几个方面：1. 显著的AIE效应，能够有效地增强聚集态的荧光强度；2. 激发态的分子内运动和高的摩尔吸收系数导致很强的光声信号；3. 分子中的共轭“苯基-炔基-苯基”取代基以及分子内运动能够使其在细胞静默区产生强的拉曼信号。基于这些特点，OTPA-TQ3分子能够同时产生很强的荧光-光声-拉曼信号，具有用于精准肿瘤成像的潜能。

图4. 有机分子探针包覆成纳米粒子及其性质

将疏水的有机分子在高分子表面活性剂的作用下包覆成尺寸形貌均一的水溶性纳米粒子（图4），具有很好的生物相容性，可以用于活体成像。该纳米探针的成像性能和稳定性优于很多传统的有机/聚合物材料，适合长期体内成像。研究团队将具有最优成像效果的OTPA-TQ3纳米探针通过尾静脉注入肿瘤小鼠体内，进行活体成像和肿瘤切除手术导航等方面的研究。

图5. 有机分子探针用于手术前的荧光和光声成像

手术前成像需要高空间分辨率和高灵敏度提供诸如肿瘤的尺寸、大小、位置等信息，因此，利用近红外荧光成像的高灵敏度和光声成像的高空间分辨率和组织穿透能力（图5），可以获得这些信息。尾静脉注射以后，由于EPR效应，纳米探针可以很好地富集在肿瘤部位，提供高信噪比的成像结果。在荧光和光声成像的指导下，进行手术切除肿瘤。临床上，外科医生在手术中面临的挑战是如何在切除大肿瘤后，确定残留的微小肿瘤以及确定肿瘤和正常组织的界限。小的肿瘤残余往往是导致术后复发和转移的重要原因。手术中需要快速灵敏和准确的成像手段。因此，作者利用快速的近红外荧光成像确定残余的微小肿瘤，并通过拉曼成像进一步验证肿瘤组织（图6）。因为荧光成像存在背景干扰的问题，无法精确确定肿瘤，而细胞静默区“零背景”的拉曼成像则可以很好地确认肿瘤组织。确认残余肿瘤后，可以通过进一步手术完全切除。与未手术和未进行手术中导航的老鼠相比（40天之内全部死亡），同时进行手术前和手术中成像导航的方法可以大大提高肿瘤老鼠的存活率（术后60天的存活率80%）。

  图6. 有机分子探针用手术中的荧光和拉曼成像，肿瘤老鼠的长期存活率及肿瘤转移情况研究

总结

该工作首次报道了同时具有荧光、光声、拉曼成像模式的有机分子探针，并且每种成像性质都可以通过调节分子结构和分子内运动进行优化，大大拓展了AIE概念的应用领域。含有大体积取代基（苯基-炔基-苯基）的OTPA-TQ3分子能够同时产生很强的荧光、光声、拉曼信号，具有用于精准肿瘤成像的潜能。该分子探针可以用于手术不同阶段的精确导航。手术前，利用近红外荧光成像的高灵敏度和光声成像的高空间分辨率和组织穿透能力，可以有效地确定肿瘤的位置和尺寸信息；手术中，利用快速实时的荧光成像和“零背景”的拉曼成像，可以确定微小的残余肿瘤以及肿瘤和正常组织的边界，大大提高肿瘤切除手术的成功率和存活率。因此，研究团队提出的新型性质最优化one-for-all有机分子探针在肿瘤成像和导航手术领域具有广阔的应用和临床转化前景。该工作以“Boosting Fluorescence-Photoacoustic-Raman Properties in One Fluorophore for Precise Cancer Surgery”为题发表在Cell姊妹刊Chem（IF:18.2）上。香港科技大学博士后齐迹和南开大学博士研究生李军为文章的第一作者，唐本忠院士和丁丹教授为文章的通讯作者（论文作者：Ji Qi, Jun Li, Ruihua Liu, Qiang Li, Haoke Zhang, Jacky W.Y. Lam, Ryan T.K. Kwok, Dingbin Liu, Dan Ding, Ben Zhong Tang, DOI:10.1016/j.chempr.2019.07.015）。