摘要：分子成像能在细胞和分子水平对体内特定的生化活动进行定量可视化，用于研究生物过程、诊断疾病或监测治疗。但现在常用的分子成像方式存在内在局限性，如灵敏度差、电离辐射和强背景信号等。余辉发光是光激发停止后发生的一种本征发光过程。由于不需要实时光激发，余辉发光可消除生
针对活体成像中的挑战
我校张晓兵教授、宋国胜教授团队
于10月29日、11月25日、11月29日
连发3篇Nature子刊！
成果频频
超亮有机长余辉探针
为自然状态下大脑功能研究提供新工具
MRI比值成像方法
为更深组织的生物分子提供精确测量
新的研究成果
为疾病诊断、治疗响应监测、早期疗效评估
提供新思路
分子成像能在细胞和分子水平对体内特定的生化活动进行定量可视化，用于研究生物过程、诊断疾病或监测治疗。但现在常用的分子成像方式存在内在局限性，如灵敏度差、电离辐射和强背景信号等。余辉发光是光激发停止后发生的一种本征发光过程。由于不需要实时光激发，余辉发光可消除生物组织的自发荧光，大大提高信噪比。因此，余辉发光有望在体内实现各种生物医学应用，如原位肝肿瘤成像，微小的腹膜转移肿瘤、淋巴结定位，早期检测药物引起的肝毒性，以及指导活体动物的手术或治疗等。目前，一些无机纳米颗粒已被开发用于产生余辉发光。但它们在体内的适用性可能受到重金属离子潜在泄漏相关的全身毒性影响，光余辉转换性能很差，需要高功率密度的激光激发并且采集时间长。
团队设计出一种富电子三蒽衍生物纳米粒子，能在极低功率光照下实现超亮的余辉发光，为生物成像领域带来突破。最新设计的纳米粒子在超低功率的室内光激发下，发出的余辉是常用有机余辉纳米粒子的500倍；纳米粒子的超亮余辉允许进行深层组织成像，实现超快余辉成像，采集时间低至0.01秒，在15个周期的再激发后也可忽略光漂白，并能精确显示皮下和原位肿瘤以及颈动脉斑块。有机余辉纳米颗粒的高灵敏度和可忽略的光漂白为实时监测生理病理过程带来优势。团队研发的新型纳米粒子就像自带光源的灯笼，即使光源关闭，依然能发出明亮的光，让医生看得更清楚、更深入。这种纳米粒子只需极微弱的光照就能工作，大大减少对人体组织的损伤风险，其在体内的稳定性和低毒性使之有望成为临床应用的理想选择。
相关研究成果以《Ultrabright and ultrafast afterglow imaging in vivo via nanoparticles made of trianthracene derivatives》为题发表在国际顶级期刊《Nature Biomedical Engineering》上。张晓兵教授、宋国胜教授为论文的通讯作者，王友娟博士(中国科学院杭州医学研究所研究员)、郭靖博士（湖南大学）、陈慕超博士（苏州大学博士，现新加坡南洋理工大学博士后）为论文的第一作者。
磁共振成像（MRI）是一种基于核磁共振的非侵入性技术，利用体内氢原子在强磁场中共振的特性来生成高分辨率图像。当人体在强磁场中时，氢核排列，并在射频脉冲作用下发生共振，释放信号后生成清晰的图像。MRI在医学领域中应用广泛，尤其在神经系统、心血管以及关节和软组织成像上表现出色。它可以有效检测脑瘤、脑卒中、心肌病、关节损伤等疾病，并为肝脏和腹部疾病提供诊断支持。MRI的高对比度和分辨率，使其成为现代医学中关键的诊断工具，并在制定治疗方案中扮演重要角色。
为了增强MRI图像的对比度，MRI造影剂发挥着至关重要的作用。通过改变核磁共振信号，造影剂帮助明确区分正常组织与病变区域。然而，传统造影剂的灵敏度和特异性限制了其在高精度分子影像中的应用。
因此，团队开发了一种新型MRI成像方法和探针，通过对磁化率的精确调控，实现了在复杂生物组织内的信号增强、背景和浓度干扰的有效抑制。这项技术的核心在于其对比率反馈信号的高度敏感，有效克服探针浓度变化带来的干扰，显著提高探针在活体成像中的信号稳定和图像对比度。该比值型MRI探针具有通用性，通过改变响应聚合物，未来可扩展到检测其他生物标志物，如酶、信号分子或金属离子等。该比值型探针未来可扩展应用到其他领域，包括神经类疾病、心血管疾病和肿瘤等，为更加可靠的分子影像提供新工具。
相关研究成果以《Magnetic-susceptibility-dependent ratiometric probes for enhancing quantitative MRI》为题发表在国际顶级期刊《Nature Biomedical Engineering》上。张晓兵教授、宋国胜教授和美国斯坦福大学的Rao Jianghong 教授为论文的通讯作者，张成博士（湖南大学助理教授）为论文的第一作者。
一氧化氮（NO）是人体中重要的信号分子，参与调节血流、维持细胞活力及保护心肌和神经细胞等多种生理过程。NO信号异常与心脑血管疾病、神经退行性疾病、肝炎、糖尿病和癌症等密切相关。研究表明，NO的生物学效应与其浓度密切相关：在癌症中，低浓度NO能够促进肿瘤血管生成及肿瘤扩散，高浓度NO则可以产生细胞毒性抑制肿瘤生长；在肝脏疾病中，适量NO可维持肝稳态并防止肝纤维化，而过量的NO可能引发肝部炎症和癌变。因此，精确测量NO浓度对研究其生理病理作用至关重要。然而，因其半衰期短、浓度低且在体内环境中易受多种因素影响，NO的活体精准检测仍面临重要挑战。
研究团队开发出一种基于超顺磁性纳米颗粒的NO磁共振成像探针，通过NO切割反应调控纳米探针的磁化率及饱和磁化强度，从而实现NO的高灵敏度检测。该探针在NO的检测中显示出高特异性和抗干扰能力，同时能够感知NO浓度的微小变化，检测限为0.147μM，为在活体中准确定量NO的水平提供了可靠的技术支持。
研究团队所开发的新型NO成像探针，在活体分子成像中展示出了高灵敏度和高特异性，有助于研究NO的复杂生理功能和在肿瘤中的病理作用，推动靶向治疗策略的制定。同时，NO的准确评估对肝损伤等疾病的进展预测和治疗方法的选择至关重要。该项研究工作也为心血管疾病的研究提供了新的成像方法，为未来探究NO在心脑血管疾病的多方面作用及剂量依赖性研究中提供了分析工具。
相关研究成果以《Responsive probes for in vivo magnetic resonance imaging of nitric oxide》为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》。文章的通讯作者是宋国胜教授和张晓兵教授。第一作者是陆畅博士（湖南大学博士后）。
「人物名片」
张晓兵教授，湖南大学校长助理、化学化工学院院长，博士生导师。主要研究方向：高性能荧光探针构建与生物成像应用研究。提出了分子结构调控新思路和催化分子信标信号放大新策略，显著提高荧光探针检测灵敏度；发展荧光纳米探针组装新原理，提高探针在复杂生物体系中的稳定性；开发多靶标激活、多模态成像新体系，提出细胞和活体水平精准生物成像的新方法。
「人物名片」
宋国胜教授，湖南大学化学化工学院二级教授。湖南省政协委员、农工党湖南大学基层委副主委。围绕活体功能成像存在的难题，开展“化学-材料-医学影像”交叉融合的精准成像前沿研究。
来源：澎湃新闻客户端
