近日，理工学院唐本忠院士、赵征教授和深圳大学熊玉教授、吉林大学李媛媛教授在AIE Bioimaging领域取得新进展，相关成果以“Blood Circulation Assessment by Steadily Fluorescent Near-Infrared-II Aggregation-Induced Emission Nano-contrast Agents”为题发表于ACS Nano，doi: 10.1021/acsnano.3c06061。

ACS Nano介绍

ACS Nano是美国化学学会（American Chemical Society，简称ACS）出版的一本国际性学术期刊，专门关注纳米科学与纳米技术领域的研究。该期刊涵盖了多个学科领域，包括化学、物理学、材料科学、生物学等，旨在发布关于纳米材料的合成、性质、应用和相关研究的高质量论文。目的是推动纳米科学和纳米技术的进步，以解决全球各种领域的挑战，包括医疗、环境、能源和电子等方面的问题。其2023年的影响因子为17.1，JCR分区Q1。

研究背景

血液循环系统的功能障碍通常会引发四肢和重要器官的急、慢性缺血，导致高残疾率和死亡率。虽然传统的断层扫描成像技术在循环系统疾病的诊断方面表现出良好性能，但仍然存在不少限制，比如无法实现实时和精确的血液动力学评估。近年来，由于其高空间-时间分辨率和实时特性的优势，近红外第二区域（NIR-II，1000-1700nm）的荧光成像在实时监测和示踪体内多种生物过程方面受到了广泛关注。遗憾的是，传统的有机发光分子普遍存在聚集诱导猝灭（ACQ）现象。除此之外，由于这些ACQ分子通常具有更强的分子间相互作用，无论是大的共轭体系，还是强的给、受体结构，大多数这类有机荧光分子在体内生理环境下，尤其是NIR-II发光分子，会发生聚集，导致发光效率明显降低，甚至不发光。这为活体荧光造影的发展构成了巨大的障碍。幸运的是，聚集诱导发光（AIE）概念的提出完美解决了这一问题，这类具有“越聚越亮”特性的分子称为AIEgens。AIEgens通常在聚集态或固态中表现为发光增强，这归因于它们相对扭曲的分子结构，避免了因强的π-π相互作用引起的发光猝灭。因此，AIEgens特别适用于制备活体荧光聚集体造影剂。到目前为止，用于原位和实时监测血液动力学的AIEgens几乎没有被研究。该工作制备了具有NIR-II吸收和发射、高亮度和高稳定性的AIE荧光聚集体造影剂，为准确的血液动力学评估提供了一种有效的策略（图1）。

图1. AIE纳米造影剂的制备及其在血液循环系统的应用

研究方法

纳米造影剂制备及表征 

AIE荧光分子BBT-C6T-DPA-OMe参考本课题组之前的工作制备。其摩尔吸光度为1.6×10⁴ mol^-1 cm^-1，量子产率（Φ_PL）为0.39%（参考IR-26）。为了提高BBT-C6T-DPA-OMe在生理液相分散性和生物相容性，借助Pluronic F-127制备了BBT-C6T-DPA-OMe NPs。动态光散射（DLS）结果显示AIE NPs呈均匀的球形，直径约为80nm。由于BBT-C6T-DPA-OMe的出色的发光特性，BBT-C6T-DPA-OMe NPs的吸收和发射光谱都延伸到了NIR-II区，非常适合体内高清晰度荧光成像。有趣的是，受AIE性质的影响，与单分子态相比，BBT-C6T-DPA-OMe NPs的量子产率增加至0.42%。此外，相对于ICG，AIE NPs具有良好的光稳定性，更有利于连续监测血液动力学行为。

图2. BBT-C6T-DPA-OMe NPs的制备与表征

成像深度和保真度的体外评估

空间分辨率是荧光成像的重要评价指标，它同时取决于荧光造影剂的激发与发射的穿透深度。使用脂肪乳作为仿生组织模拟介质，展示其不同深度下的成像性能。将BBT-C6T-DPA-OMe NPs分散在小鼠血清中，然后灌注到玻璃毛细管中，随后将毛细管浸入到不同体积的脂肪乳溶液中。在AIE纳米造影剂组中，实现了对玻璃毛细管的高保真成像。而在ICG组中，随着深度的增加，可见性明显下降（图3a，3b和2c）。为进一步验证BBT-C6T-DPA-OMe NPs是一种良好荧光造影剂，作者评估了在真实组织下的成像深度（图3d）。在模拟血管造影之前，作者将鸡肉和脂肪组织预热至37摄氏度（接近实验动物的体温），以减少温度对组织散射的影响。如图3e所示，组织厚度在3毫米内，组织散射几乎可以忽略，并不影响毛细玻璃管直径。相反，使用商业染料ICG在真实组织血管造影模拟中，毛细玻璃管测量直径显著增加，导致SBR较低（图3f）。这些结果表明了BBT-C6T-DPA-OMe NPs在理想穿透深度下可实现较高的造影保真度。

图3. 基于AIE造影剂的血管造影模拟及其对组织穿透深度和信号-背景比的评估

后肢血管系统荧光造影

人类的下肢很容易受到外周动脉疾病（PAD）的影响，这会对患者的工作和日常活动造成巨大的影响。因此，作者采用小鼠后肢血管评估BBT-C6T-DPA-OMe NPs作为造影剂，对后肢血管的成像潜力。如图4所示，作者使用AIE纳米粒子作为荧光对比剂时，在高分辨率NIR-II血管造影中很容易区分股动脉。从NIR-II血管造影图像中，通过高斯拟合所得FWHM测得的血管直径分别为0.207毫米（股动脉）和0.175毫米（股静脉）。此外，高分辨率的NIR-II血管造影图中还可以清晰地显示起源于股动脉的四个分支小动脉（图4b）。相应的横截面强度剖面包含四个尖锐的峰值，这些峰值通过FWHM确定直径分别为0.123毫米、0.139毫米、0.055毫米和0.113毫米。作为比较，使用ICG的股NIR-I荧光血管造影显示出模糊的血管解剖结构和宽广的强度剖面峰值（图4c和4d）。这些结果表明，BBT-C6T-DPA-OMe聚集体造影剂可以实现高空间分辨率（约55微米）的微血管成像。

图4. 以BBT-C6T-DPA-OMe NPs和ICG为造影剂，对比两者对小鼠股血管造影效果

利用高时间分辨率成像（HFR）监测生命体征

心跳和呼吸是有意识动物的生命体征，是机体健康和行为极为重要的监测对象。得益于纳米造影剂BBT-C6T-DPA-OMe的高亮度，不仅可以在循环时间序列上研究深部器官的灌注，甚至可以通过HFR成像捕捉心跳和呼吸节律。在AIE纳米造影剂注射（6毫克/毫升，200微升）后，记录了右心房（RA，用亮蓝色矩形标记）、左心室（LV，用红色矩形标记）和肝脏下缘的NIR-II信号变化（图5a）。如图5b所示，可以观察到心房和心室之间的相反的跳动过程。以RA和LV的跳动为例，心房的舒张期（RAS）和收缩期（RAD）对应于心室的舒张期（LVD）和收缩期（LVS），以便血液可以被泵送到全身。整个心脏周期包括舒张期和收缩期，通过HFR成像测得小鼠的心率为每分钟240次，与心电图（ECG）测得的心率（242次/分）相匹配（图5c）。此外，膈肌的收缩和舒张驱动着肝脏下缘呈往复运动的方式上下移动，这与呼吸节律一致。当小鼠吸气时，肝脏下缘向下移动，红色虚线矩形框中的肝脏面积增加；呼气时，肝脏下缘向上移动，红色虚线矩形框中的肝脏面积减少。这一发现启发了进一步通过肝脏下缘位置变化区域的NIR-II信号强度的规律变化来测量呼吸率。如图5d显示，在吸气阶段荧光信号强度增加，在呼气阶段减弱。这准确地展示了呼吸运动的过程。因此，可以从呼吸曲线中轻松计算出小鼠的呼吸率为每分钟150次/分。

图5. 心率与呼吸监测

小鼠后肢血流动力学监测

监测血液动力学对于识别PAD患者并采取预防措施具有重要意义。作者利用小鼠下肢缺血模型模拟PAD，评估BBT-C6T-DPA-OMe NPs在血流速度监测方面的潜力。对3只小鼠的缺血后肢（I1-I3）的股动脉流速进行了测定。如图6a所示，在注射BBT-C6T-DPA-OMe NPs后的10.03秒至37.71秒内，从股动脉的结扎点到远端股动脉及其较小的分支，可以观察到血流信号变化。从多个时间点所对应的每个帧图像中提取了血流信号运行距离，并绘制了时间曲线。时间-距离曲线显示出很好的线性关系，并得出了血流速度为1.513±0.081mm s^-1（图6b）。随后，量化了这些图像中血流信号的平均NIR-II信号强度，并绘制了NIR-II信号强度-时间的曲线。NIR-II信号强度变化与时间呈线性相关，其斜率为5.72±0.181%s^-1（图6c）。通过拟合图6b和图6c，推导出血流距离与NIR-II信号强度也具有很好的线性关系，从而得出此线性拟合曲线的斜率为0.228±0.022 mm%^-1（图7d）。此外，其它两只PAD模型小鼠（I2号和I3号小鼠）的股动脉血流距离与NIR-II信号强度，也具有明显的线性关系，而且斜率都与I1小鼠相近，分别为0.256±0.011 mm%^-1和0.218±0.026 mm%^-1（图6e和6f）。这些结果表明荧光信号强度与血流速度之间存在很好的线性相关且趋于一个常数，使得能够通过血液信号的NIR-II强度变化直接计算血流速度，为PAD血流动力学提供了更为便捷的方法。

图6.股动脉的血液速度监测

研究结论

在本工作中，作者成功制备了近红外二区AIE纳米造影剂BBT-C6T-DPA-OMe NPs，实现了高分辨率荧光血管造影、器官灌注和生命体征监测，以及PAD小鼠的血流动力学评估。为血液循环监测及其相关疾病的诊断提供了新材料与更为便捷的方法。

作者简介

唐本忠院士，赵征教授，熊玉教授和李媛媛教授为本文通讯作者。

唐本忠，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会“生物材料科学与工程Fellow”、英国皇家化学会会士、国家自然科学基金基础科学中心项目负责人，曾任广东省引进创新科研团队带头人、973计划项目首席科学家、国家自然科学基金重大项目负责人。现任中国化学会常务理事、华南理工大学和德国威利出版社（Wiley）联合期刊Aggregate主编、《中国科学：化学》副主编、《化学进展》副主编、Adv. Polym. Sci. （Springer）编辑等。在国内外顶尖杂志上发表论文1600余篇，他引十七万余次，h指数为184。曾先后获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017），Nano Today Award（2021），Biomaterials Global Impact Award（2023），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）、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。

赵征，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者，国家高层次青年人才，中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准专业委员会常务委员，中国抗癌协会医工整合专业委员会委员，深圳市分子聚集体功能材料重点实验室副主任，港中深第二附属医院AIE临床转化中心执行副主任。获首届中国化学会朱道本有机固体青年创新奖、Materials Chemistry Frontiers新锐科学家、Journal of Materials Chemistry B新锐科学家等荣誉称号。赵征教授于中国科学院上海有机化学研究所取得博士学位，后赴香港科技大学化学系进行博士后研究，2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院开展研究工作。当前的研究兴趣包括新型聚集体光功能材料、聚集体光敏剂及其应用、近红外二区材料及其应用。已在Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Nano.、Adv. Mater、Adv. Funct. Mater.、Natl. Sci. Rev、Mater. Today、Chem. Sci.等国际顶级期刊发表论文90余篇，论文总计被引用7000余次，H-index为47。目前兼任科学出版社聚集诱导发光系列丛书编委，Aggregate期刊顾问编委，National Science Review期刊青年编委，Smart Molecules期刊青年杂志编委，Chinese Chemical Letters期刊青年编委，集成技术期刊青年编委，National Science Review客座编辑，Biomaterials期刊客座编辑等。

熊玉，深圳大学助理教授，中科院上海有机化学研究所博士，香港浸会大学和港科大深圳研究院博士后。2019年4月入职深大材料学院。主持国家自然科学基金项目1项，广东省自然科学基金1项，深圳市基础研究项目2项，中国博士后科学基金面上一等资助项目1项。主要研究方向为有机室温磷光材料和聚集诱导发光材料，目前已在Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Funct.Mater., Adv. Sci.等发表SCI论文30余篇。

李媛媛，吉林大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才，2017年毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获分析化学专业博士学位；2018-2021年在香港科技大学从事博士后研究。2021年至今，吉林大学动物医学学院教授。长期从事有机荧光材料在疾病诊断与防治的技术研究，主持国家自然科学基金青年基金项目，“十四五”国家重点研发计划（人畜共患烈性传染病重症危重症的预警预测）子课题等研究。获“长白山特聘青年拔尖人才”称号。