基于共轭高分子的生物探针的制备及其应用于干细胞示踪的研究

Conjugated polymers (CPs) with emission in the far-red/near-infrared (FR/NIR) region (650-1000 nm) hold great promise for stem cell tracing applications due to their advantages over traditional fluorescent materials including good photostability and low cytotoxicity. However, FR/NIR fluorescent CPs have rarely been applied as probes for in vivo applications because of the significantly reduced quantum yield (QY) of CPs in water with respect to those in organic solvents. In this proposal, we plan to design and synthesize a series of FR/NIR fluorescent CPs with high QYs in water, which will be followed by preparation of CP-based nanoparticles (CP dots) using biocompatible materials as the encapsulation matrix. Furthermore, we plan to prepare CP dot-based multimodal probes, which will be used as multimodality imaging agents to real-time monitor and trace the location, distribution, and long-term engraftment of administrated stem cells. Moreover, the performances of CP dot-based multimodal probes in terms of optical properties and stem cell tracing effect will be evaluated using commercially available inorganic quantum dot-based cell tracker (Qtracker?) as the benchmark.This study will open up new opportunities for the development of promising cell tracker with high performance for the advancement of stem cell tracing applications.

相比于传统的荧光材料，发射波长在远红/近红外区域(650-1000 纳米)的共轭高分子具有良好光稳定性和很低细胞毒性等优点，在干细胞示踪等应用中拥有巨大潜力。遗憾的是到目前为止远红/近红外发射的共轭高分子存在在水溶液中荧光量子产率较低的问题，导致这类材料的体内应用受限。本项目拟设计和合成一系列远红/近红外发射的共轭高分子，并采用良好生物相容性的材料作为封装基质制备基于共轭高分子的纳米微粒（共轭高分子点）。通过设计、调整共轭高分子的制备工艺得到在水中具有较高量子产率的共轭高分子点。在此基础上，本项目拟制备基于共轭高分子点的多模态分子影像探针，并将其应用于体内外干细胞示踪的研究中，通过多种分子影像技术来实时地监测干细胞在移植后的的行为和生物学特性。同时，所制备的探针将与商品化的无机量子点类细胞示踪探针在光学性能及干细胞示踪能力等方面进行全面比较，为性能更加优越的干细胞示踪探针的开发打下基础。

长期监测干细胞在体内的命运与行为对于疾病的细胞治疗效果和机理研究具有非常重要的意义。在项目的资助下，课题组成功发展了一系列具有远红/近红外发射波长的、在水溶液中具有高荧光量子产率的共轭高分子点等新型细胞示踪探针，并采用了下肢缺血、皮肤损伤等疾病动物模型以及多模态分子影像系统深入地研究了新型细胞示踪探针在体内外示踪干细胞的可行性与优越性。研究结果表明，我们所开发的新型细胞示踪探针不仅能够准确示踪移植到疾病动物体内的干细胞长达一个半月，而且其在光学性质、稳定性、安全性以及干细胞示踪能力等方面完全优于市售最常用的细胞示踪荧光探针Qtracker和PKH26。本项目为研究干细胞的体内行为及其对疾病的治疗机制提供了新的可靠的工具，也为设计具备更优越性能的细胞示踪探针打下了理论基础。在本项目的资助下，课题组在3年内共正式发表了19篇SCI论文，另外3篇SCI论文已经被接收并且以DOI号在网上发表。