超亮二呋喃芴并二噻吩聚合物用于增强动脉粥样硬化斑块的余辉成像：开启心血管精准诊断新征程

《SCIENCE ADVANCES》：Ultrabright difuranfluoreno-dithiophen polymers for enhanced afterglow imaging of atherosclerotic plaques

心血管疾病严重威胁全球健康，其中动脉粥样硬化引发的中风尤为突出。当前诊断成像方式难以检测动脉粥样硬化斑块内的氧化应激。研究人员开展了基于二呋喃芴并二噻吩聚合物的余辉成像研究，开发出超亮发光、低功率激发、短采集时间的聚合物及纳米颗粒，有助于辅助诊断和风险分层。

　　

心血管疾病是全球范围内导致死亡和发病的主要原因之一，其中由动脉粥样硬化引发的中风更是严重威胁着人们的生命健康。在众多心血管疾病中，中风的致死率位居第三，紧跟癌症和缺血性心脏病之后。动脉粥样硬化的主要病理特征是动脉粥样硬化斑块的形成与破裂，而区分侵蚀性斑块和稳定斑块对于评估斑块负担和易损性至关重要，这直接关系到选择合适的药物治疗方案以稳定斑块，从而改善患者的预后。

炎症和氧化应激在动脉粥样硬化的发展过程中起着关键作用。慢性和急性炎症会导致活性物种水平升高，进而促进斑块的不稳定和易损性。然而，现有的成像技术，如磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）和计算机断层扫描（CT），虽然能够检测斑块的存在和位置，但在准确反映斑块内的氧化应激和炎症水平方面存在明显不足，尤其是在颈动脉部位。近年来，近红外荧光团在颈动脉粥样硬化斑块成像方面得到了一定的探索，包括氯卟啉 e6、吲哚菁绿、硼二吡咯亚甲基（Bodipy）和基于聚集诱导发光（AIE）的有机点等，但由于活体模型中存在自发荧光，其在体内的应用受到了限制。余辉发光技术因其在光激发停止后仍能持续发光的特性，可降低自发荧光的干扰，提高信噪比（SBR），在生物医学成像领域展现出了潜在的应用价值，已在小鼠原位肿瘤成像、肝毒性检测、成像引导手术或治疗以及治疗过程监测等方面得到应用。不过，专门用于评估斑块内氧化应激水平的余辉探针的开发仍相对匮乏。

为了解决这些问题，湖南大学的研究人员开展了一系列研究。他们旨在开发能够实现超亮余辉发光、超低功率激发和超短采集时间的材料和技术，用于高灵敏度、无损且长期的体内分子成像，并精确量化动脉粥样硬化斑块内的氧化应激水平，为心血管疾病的诊断和治疗提供有力支持。研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是化学合成技术，通过连接不同的受体（A）和供体（D）单元，合成了多种聚合物，并制备成纳米颗粒；二是光谱分析技术，对聚合物和纳米颗粒进行紫外 - 可见（UV/vis）吸收光谱、荧光光谱和余辉发光光谱等测试分析；三是动物实验技术，建立动脉粥样硬化小鼠模型，包括颈动脉结扎联合高脂喂养和鼻内给予脂多糖（LPS）处理等方法，利用余辉成像技术对小鼠体内的动脉粥样硬化斑块进行成像研究，同时结合免疫荧光染色、组织学染色和相关生化指标检测，评估斑块内的氧化应激水平、炎症细胞浸润和组织病理变化。

研究结果

1. 余辉半导体聚合物的设计与合成：研究人员合成了四种聚合物（A1、A2、A3 和 A4），通过将不同的受体单元（如喹喔啉、二噻吩取代的喹喔啉等）与呋喃稠合芴供体单元相连。这些聚合物在常见有机溶剂中具有良好的溶解性，将其制备成纳米颗粒后，A4 纳米颗粒（A4-NPs）表现出优异的性能，其流体动力学直径在 80 - 90nm 之间，呈球形且胶体性质稳定。在余辉发光测试中，A4-NPs 的余辉强度显著高于其他纳米颗粒，约为 A1-NPs 的 576 倍、A2-NPs 的 55 倍和 A3-NPs 的 260 倍。
2. 余辉发光机制：余辉强度的提升取决于三个关键因素：单线态氧（1O₂）的高产生量、1O₂的有效捕获以及高荧光效率。研究发现，A4-NPs 具有最高的活性氧（ROS）生成能力，通过多种实验方法证实其能产生大量的1O₂、羟基自由基（?OH）和超氧阴离子自由基（O₂^??）。同时，A4-NPs 的 ROS 捕获能力也是最强的，这得益于其结构中的噻吩单元。在荧光量子产率方面，A4-NPs 和 A1-NPs 相对较高。综合这些因素，A4-NPs 实现了最高的余辉发光强度。
3. A4-NPs 余辉性能的优化：与传统有机余辉聚合物相比，如 2 - 甲氧基 - 5-(2'- 乙基己氧基)-1,4 - 苯撑乙烯聚合物（MEHPPV）和聚 [2,7-(9,9 - 二辛基芴)-alt-4,7 - 双 (噻吩 - 2 - 基) 苯并 - 2,1,3 - 噻二唑]（PFODBT），A4-NPs 的余辉强度分别约为它们的 130 倍和 169 倍。A4-NPs 能够在超低功率激发（0.087mW/cm²）和超短采集时间（0.01s）下保持高发光强度，且在多次重新激发后信号强度无明显衰减，稳定性良好。通过优化表面活性剂，发现 Pluronic F - 127 可增强 A4-NPs 的余辉发光。此外，研究人员还制备了掺杂氧化应激响应分子（ORM）的比率余辉纳米颗粒（RANPs），能够通过测量两个发射信号的比率（AF₁/AF₂）精确量化氧化应激标记物。
4. 体内余辉成像性能：A4-NPs 在体内成像中表现出优异的穿透深度和高信噪比。在覆盖 22mm 厚的鸡组织实验中，余辉成像仍能检测到发光信号，而荧光成像在 18mm 组织覆盖时就无法产生可见信号，且余辉成像的信噪比是荧光成像的 67 倍。在小鼠皮下注射实验中，A4-NPs 在不同功率激发下均能产生明显的余辉发光信号，在超低功率（0.087mW/cm²）激发下多次重新激发后信号稳定，且在注射后 15 分钟内仍有持续的余辉发光。生物分布实验表明，A4-NPs 在肝脏、肠道和肺部有相对较强的信号。
5. 余辉成像评估动脉粥样硬化小鼠模型斑块内氧化应激：研究人员建立了动脉粥样硬化小鼠模型，通过高脂喂养和颈动脉结扎诱导斑块形成，并使用 LPS 加速动脉硬化进程。给小鼠静脉注射 RANPs 后进行余辉成像，结果显示，随着时间的推移，AS 小鼠经 LPS 处理后，斑块内的 AF₁/AF₂比率增加，表明氧化应激水平升高。通过免疫荧光染色和其他检测方法进一步证实，RANPs 能够反映斑块内的氧化应激水平，且与巨噬细胞和中性粒细胞的浸润以及坏死区域的比例相关。在自发动脉粥样硬化模型中，也得到了类似的结果。

研究人员通过分子工程策略设计合成了基于二呋喃芴并二噻吩的聚合物，制备出具有优异性能的 A4-NPs 和 RANPs，实现了对动脉粥样硬化斑块内氧化应激的高灵敏度、高分辨率成像。这一研究成果为心血管疾病的诊断和风险分层提供了新的工具和方法，有助于早期发现和干预动脉粥样硬化，改善患者的预后。然而，该研究也存在一些局限性，如 RANPs 在动脉粥样硬化斑块中的比率信号变化相对较小，可能影响成像的灵敏度；余辉成像依赖光激发，穿透深度有限，限制了其在深部疾病模型中的应用；以 ROS 作为生物标志物受多种因素影响，需要开发更可靠的疾病特异性生物标志物检测方法。尽管如此，这项研究为心血管成像和诊断领域开辟了新的方向，未来有望通过进一步的研究和技术改进，克服现有不足，推动心血管疾病诊断和治疗的发展。