光激活功能核酸引导的上转换长余辉探针用于高灵敏眼底新生血管成像

Ocular neovascular diseases refer to the diseases involving pathological phenomena such as fundus neovascularization. Ocular neovascular diseases usually cause visual impairment or blindness. Fluorescence imaging has been widely used in the diagnosis and treatment of ocular neovascular diseases clinically. However, fluorescence imaging of ocular neovascularization still faces great challenges, mostly the background fluorescence interference and narrow imaging time window. The fluorescent biomolecules in ocular tissues usually produce strong background fluorescence interference in neovascularization imaging. Moreover, clinical contrast agents such as fluorescein sodium cannot bind to the ocular blood vessels and are carried by the blood flow to other tissues rapidly, resulting in a narrow imaging time window of about 5 min. Upconverted persistent luminescence materials can be actived by near-infrared light and remain luminescent after excitation ceases. The background fluorescence interference can be easily reduced by collecting the persistent luminescence signal after background fluorescence of ocular tissue decays completely. A step further, the neovascularization imaging time window can be effectively expanded by using DNA aptamer to guide the targeted binding of upconverted persistent luminescence nanoparticles to the molecules overexpressed on the new vessels. Aiming to overcome the problems of background fluorescence interference and narrow imaging time window, this project puts forwards the idea of designing light-activatable functional nucleic acid guided upconverted persistent luminescence nanoparticles for ocular neovascular imaging. This project can provide potential methods for the pathological research, the diagnosis and treatment of ocular neovascular diseases.

眼底新生血管性疾病是指涉及眼底血管增生等病理现象的疾病，会造成视力障碍或失明。荧光成像在眼底新生血管性疾病诊疗中得到了广泛应用，但眼底新生血管荧光成像仍面临背景荧光干扰和成像时间窗口窄的问题。眼部组织中的荧光生物分子在成像中会产生背景荧光干扰。荧光素钠等临床造影剂不能跟新生血管结合，会随血液迅速流动到其它组织中，导致新生血管成像时间窗口通常只有5分钟。上转换长余辉材料能被近红外光激发并在激发停止后持续发光，在眼部组织背景荧光衰减完后采集余辉信号能有效抑制背景荧光干扰。进一步，利用核酸适体引导上转换长余辉探针与眼部新生血管过表达的分子结合，能够有效延长探针在新生血管中的停留时间并延长成像时间窗口。本申请项目提出光激活功能核酸引导的上转换长余辉纳米颗粒用于眼底新生血管成像，为背景荧光干扰和成像时间窗口窄的问题提供潜在解决方案，有望为眼底新生血管性疾病的病理研究和诊疗提供方法学支撑。

荧光成像在眼底新生血管性疾病诊疗中得到了广泛应用，但荧光成像仍面临背景荧光干扰的问题，生物组织中的荧光生物分子在成像中会产生背景荧光干扰，严重影响成像灵敏度和分辨率。长余辉材料能够储存激发光的能量，在激发停止后以光辐射等形式释放储存的能量，在生物成像等领域有广阔的应用前景。长余辉材料能够在激发光关闭后持续发光，在组织自发荧光衰减完后采集余辉信号能有效抑制背景荧光干扰，有效提高成像灵敏度。然而，目前的长余辉材料几乎都是被紫外光等高能量光源激发，紫外光组织穿透浅，还会对生物组织造成光损伤；而且目前长余辉纳米材料还面临合成困难和发光效率低的问题，这些缺陷严重阻碍了长余辉材料的生物成像应用。本项目主要围绕可见光激活的长余辉纳米材料设计合成及其生物成像应用开展研究工作，取得了以下重要结果：1）发现了窄带系半导体中普遍存在的长余辉发光现象，结合理论计算提出了窄带系半导体中肖特基缺陷介导的长余辉发光机理，为开发可见光激发的长余辉材料提供了新的思路；2）建立了高温热分解反应体系用于可见光激发的长余辉纳米材料的控制合成，为长余辉纳米材料的可控制备提供了新的手段；3）提出了通过表面钝化增强长余辉发光的新策略，将长余辉纳米材料的发光强度提高了100%以上，有效提高了生物成像灵敏度；4）探索了长余辉纳米材料在细菌生物被膜成像和持续性抗菌中的应用。另外，项目负责人撰写综述讨论了非紫外光激活的长余辉材料的设计原理及其在可持续性治疗诊断学中的应用进展。本项目系统建立了可见光激发的长余辉纳米材料的设计合成方法和性能调控方法，能够为开发可见光激发的长余辉材料提供丰富可借鉴的经验，有望进一步推动长余辉纳米材料在生物成像、可持续性治疗、光催化、太阳能电池、显示照明等领域中的应用。