具有近红外吸收和发射的共轭聚合物的设计、合成及其在纳米治疗诊断中的应用

Conjugated polymers with near-infrared absorption and emission have attracted more and more attention in bioimaging and therapy applications, due to their good photostability and excellent biocompatibility. Rather limited studies, however, have been done by using nanotheranostics based on conjugated polymers for in vivo applications, largely due to their low fluorescence quantum yield and molar absorption coefficient. In this proposal, we design and synthesize a series of conjugated polymers with near-infrared absorption and emission, high molar absorption coefficient and high quantum yiled, which is followed by studying the effects of chemical structures and probe fabrication methods on fluorescent and photoacoustic signals. The obtained polymers are used to fabricate multifunctional probes with fluorescence/photoacoustic dual modal imaging and photothermal therapy abilities. Then the multifunctional probes are applied in imaging and therapy of tumors. In addition, the performances of our multifunctional probes in terms of biocompatibility and theranostics will be evaluated by using commerically available organic dyes and inorganic semiconducting quantum dots as benchmarks, trying to figure out the advantages of our multifunctional probes, which are the basis for further development of multifunctional probes with better performances based on conjugated polymers.

具有近红外吸收和发射的共轭聚合物在生物成像和治疗中的应用越来越受到人们的重视，这主要得益于其具有较好的光稳定性和优越的生物相容性。然而基于共轭聚合物本身的集诊断与治疗于一体的“治疗诊断学”型的探针在活体中应用的研究还相对较少，主要受制于荧光量子产率和摩尔吸光系数较低的问题。在本项目中，我们拟设计并合成一系列具有近红外吸收和发射的、摩尔吸光系数和荧光量子产率也较高的共轭聚合物，并以之制备成可同时实现荧光/光声双模态成像和光热治疗的多功能探针。并考察分子结构、探针制备方法等因素对荧光和光声信号的影响。在此基础上，将所得多功能探针应用于活体肿瘤成像和治疗的研究中。另外，将所制备的多功能分子探针与已经商品化的有机小分子染料和无机量子点在生物相容性、影像治疗性能等方面进行全方位的比较，以探求基于共轭聚合物的多功能分子探针的优越性，为开发性能更为优越的聚合物多功能分子探针打下基础。

具有近红外吸收/发生的共轭聚合物纳米粒子在生物成像和疾病治疗领域具有巨大的应用前景，这主要得益于其具有优异的光学性能和生物相容性。在本项目中，按照既定的研究计划，我们的工作主要体现在以下几个方面。1）通过能量转移的手段设计并合成了具有近红外发射的共轭聚合物纳米探针，其荧光量子产率高达47%，是目前荧光量子产率最高的近红外共轭聚合物纳米探针之一。研究结果表明，这是一种优异的荧光成像示踪剂。将探针标记的内皮细胞注射到患有下肢缺血损伤的小鼠体内，用来实时示踪内皮细胞的活动，时间可长达21天。2）通过改变分子工程手段调控共轭聚合物纳米粒子的光声性能。具体来讲就是，我们设计了三种具有给体-受体交替共轭主链的聚合物，它们的唯一的区别就是受体单元上的一个杂原子从氧变为硫变为硒原子时，可方便的调节其吸收和光声性能。这种模块式的设计使得我们可以系统的研究究分子结构和光声性能的关系，为分子设计提供理论指导。基于此类聚合物的纳米粒子可作为纳米治疗诊断试剂用于光热治疗和脑部血管光声成像。3）通过原位聚合物的方法制备了一种可被过氧化氢降解水溶性小分子的共轭聚合物纳米粒子作为荧光/光声双模态造影剂。这种纳米粒子在完成生物影像的任务后可从体内迅速排出，为开发生物安全性高的共轭聚合物纳米探针提供了一种新思路。4）探索了共轭聚合物在其他领域的应用，如有机聚合物太阳能电池、二氧化碳气体吸附。5）本项目还在完成既定目标的基础上，初步探索了一些具有近红外II窗吸收的共轭聚合物作为光声成像分子探针，并应用于动脉粥样硬化的早期诊断中。目前文献中还未有类似的报道。初步的研究结果表明，此类分子探针在近红外II窗具有非常强的光声信号，可以无创、实时甄别动脉粥样硬化中易损斑块与稳定斑块，在动脉粥样硬化的早期诊断中具有非常大的应用前景。所有的这些研究都为我们未来的工作奠定了前期基础。