近红外荧光寿命成像用于活体原位肿瘤标志物的定量分析

Nowadays, cancer has become one of the most fatal diseases worldwide. Diagnostic and prognostic classifications of human tumors are currently based on immunoenzyme-based immunohistochemical method. However, this analytical method can only examine one biomarker per tissue slide and the outcomes are usually prone to sample preparation and subjective scoring. To overcome these issues, in vivo multiplexed and quantitative detection of tumor biomarkers with high precision is in urgent need. In this project, three dimensional and multiplexed in vivo lifetime imaging in the second near infrared region (NIR-II) will be developed to meet the goal. Breast cancer with three routinely examined biomarkers: oestrogen receptor (ER), progesterone receptor (PR) and human epidermal growth factor receptor-2 (HER2) is adopted as a model, and simultaneously detecting and quantifying the three biomarkers is crucial to diagnostics and therapy. To demonstrate the validness, the information of three biomarkers is obtained in vivo with lifetime-engineered lanthanide nanoparticles based on the proposed method. Meanwhile, the final results will be compared to the widely used immunohistochemical and western blot methods for accessing the specificity and sensitivity, which will lay the foundation for further biological applications.

近年来，癌症已经成为严重损害人类生命健康的疾病。目前医学上对于肿瘤的诊断主要是基于免疫组化技术。这种方法一次只能检测一种待检物质，而且对目标物的检出是半定量的并且具有较大的主观性。此外，在活检过程中也难以避免肿瘤细胞转移的风险。针对上述问题，能够在活体原位对肿瘤标志物定量检出就显得非常重要。本项目拟通过开发近红外二区三维荧光寿命成像分辨的方法来实现这一目的。目前临床上乳腺癌中雌激素受体(ER)、孕激素受体(PR)和人表皮生长因子受体(HER2)的表达状态是其靶向治疗的主要依据，所以对其进行准确的定量检出对于临床诊断与治疗具有重要意义。项目将以乳腺癌小鼠作为试验模型，利用荧光寿命分辨来研究多寿命稀土下转换纳米探针对三种不同标志物原位多重分析的效果，建立荧光寿命通道信号与标志物含量之间的定量关系，并与目前临床上使用的免疫组化法和免疫印迹法的检验标准进行对比，对活体多重检测的特异性和灵敏度进行评价，为后续进一步的生物应用奠定基础。

本项目围绕癌症及相关疾病的精准诊断，利用光学成像手段在活体原位开展相关研究工作。利用稀土元素丰富的能级结构以及优异的理化性质，构筑了系列基于稀土元素的无机荧光纳米颗粒探针和有机配合物探针。通过核壳结构和梯度掺杂方法，改变了探针中稀土离子吸收能量的路径与出口，实现了探针荧光寿命和荧光强度的独立调节，增加了多重成像检测的探针种类。通过筛选激发波段和发光离子种类，获得了近红外二区三正交激发发射稀土纳米探针，实现了活体小鼠脏器（包括骨骼、胃、血管、肝脏、脾脏等）的多色清晰成像。通过高掺稀土离子，构建了系列近红外二区发射稀土纳米探针荧光强度的数倍提升，实现了活体监测小鼠脑血管以及肿瘤血管双色高信噪比成像。针对激发光引起的生物背景噪声和潜在的热效应的问题，通过利用高能X射线充能，实现了系列近红外二区长余辉发射的稀土纳米颗粒探针，在活体小鼠血管、肿瘤、输尿管成像中取得了比传统近红外二区荧光成像更高的信噪比和分辨率。针对生物多重成像对有机荧光团半峰宽的特殊要求，构筑了近红外二区窄带激发和发射的稀土-叶绿素有机配合物荧光团，实现了该探针在小鼠体内动态循环和代谢过程中激发/发射的多路复用能力，并透过颅骨追踪小鼠大脑中的肿瘤细胞转移的潜力。该项目在近红外二区稀土基荧光探针、长余辉探针的可控合成、性能验证以及活体小鼠多种脏器的高信噪比和高分辨率多重成像方面取得了一定的研究成果，发表了学术论文包括Nat. Mater. 1篇、Nat. Nanotechnol. 1篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2篇、Anal. Chem. 1篇、ACS Appl. Bio Mater. 1篇，共计6篇。培养研究生7人。项目负责人在项目执行期间获得国家优秀青年基金、上海市科技启明星、国际期刊Frontiers In Chemistry副主编（Nanoscience Section）等。.