南京大學(xué)甄敘-蔣錫群團(tuán)隊(duì)與南洋理工大學(xué)浦侃裔團(tuán)隊(duì)Small綜述：用于光聲成像和光熱治療的半導(dǎo)體共軛聚合物納米材料：信號放大和近紅外二區(qū)設(shè)計(jì)策略
光學(xué)成像可以實(shí)時(shí)觀察和表征生物體內(nèi)的各種生理和病理過程，具有高的時(shí)空分辨率。在現(xiàn)有的光學(xué)成像技術(shù)中，光聲(photoacoustic, PA)成像是一種將光學(xué)激發(fā)與超聲檢測相結(jié)合的新興無創(chuàng)混合成像技術(shù)。在成像過程中，光聲造影劑吸收非電離脈沖激光并轉(zhuǎn)換為熱，通過熱彈性膨脹產(chǎn)生聲波。利用寬頻超聲換能器對這些聲波進(jìn)行檢測，根據(jù)聲波到達(dá)時(shí)間即可構(gòu)建光聲圖像。與光子相比，聲子在生物組織中的散射更小，因此光聲成像具有高組織對比度、高空間分辨率和深層成像的優(yōu)勢。根據(jù)Jablonski圖，造影劑吸收的激發(fā)光主要通過三個(gè)途徑消散：熒光發(fā)射、隙間竄越（磷光）和無輻射熱失活，其中光聲信號的產(chǎn)生依賴于非輻射熱失活途徑。在造影劑無磷光發(fā)射的前提下，熒光發(fā)射途徑與非輻射熱失活途徑存在競爭關(guān)系，以此確定熒光信號和光聲信號的強(qiáng)度。因此，猝滅熒光進(jìn)而促進(jìn)非輻射熱失活來放大光聲信號是一種可行的策略。光熱治療(photothermal therapy, PTT)是指造影劑在外部光源的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)而殺死癌細(xì)胞的一種治療方法。由于光聲信號強(qiáng)度和光熱治療性能都是由材料光熱轉(zhuǎn)換效率決定的，因此造影劑的光聲成像的信號強(qiáng)度和光熱治療性能是相一致的。
近紅外二區(qū)窗口(NIR-II, 1000-1700 nm)的造影劑對血紅蛋白、脂類和皮膚等生物組織的吸收較低，減少了與組織的光相互作用，從而提高了光聲成像的信噪比(signal-noise ratio, SNR)和組織穿透深度。此外，與NIR-I區(qū)光相比，皮膚對NIR-II區(qū)激光的最大允許照射量(maximum permissible exposure, MPE)要高得多，因此可以使用更高的激光功率進(jìn)行光聲成像和光熱治療，從而可以進(jìn)一步增強(qiáng)光聲成像與光熱治療效果。
半導(dǎo)體聚合物納米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)是由光活性半導(dǎo)體共軛聚合物(semiconducting polymers, SPs)制成的一類新興有機(jī)造影劑。SPNs的光學(xué)性質(zhì)主要取決于SPs的π電子離域化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來調(diào)控其光學(xué)性能。此外，SPNs通常具有較大的摩爾吸光系數(shù)、優(yōu)異的光穩(wěn)定性和可控的尺寸。迄今為止，SPNs已被用于熒光成像、化學(xué)發(fā)光成像、余輝成像、光聲成像、光動力治療和光熱治療等一系列光學(xué)應(yīng)用。與無機(jī)造影劑如貴金屬納米材料不同，SPNs是由生物惰性的有機(jī)材料組成，潛在地避免了金屬離子誘導(dǎo)的生物毒性的問題，具有良好的生物相容性。此外，與其他造影劑（如單壁碳納米管和金納米材料相比，SPNs具有較高的光聲強(qiáng)度、光熱轉(zhuǎn)換效率以及光熱穩(wěn)定性。因此，SPNs是光聲成像和光熱治療的理想材料。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院甄敘-蔣錫群團(tuán)隊(duì)與南洋理工大學(xué)浦侃裔團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評述了半導(dǎo)體聚合物納米材料在光聲成像信號放大和近紅外二區(qū)光聲成像和光熱治療方面研究的最新進(jìn)展。該論文首先討論了SPNs 光聲信號放大的四種設(shè)計(jì)策略包括結(jié)構(gòu)-性能篩選策略、熒光猝滅策略、加速散熱策略和尺寸依賴的散熱策略；接著分別闡述了SPNs在近紅外二區(qū)光聲成像和光熱治療上的應(yīng)用，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了近紅外二區(qū)激光對診療深度的提高；最后對該領(lǐng)域當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了總結(jié)和展望：SPNs在體內(nèi)的長期安全性有待進(jìn)一步研究，開發(fā)具有腎臟清除或生物降解能力的SPNs是加速機(jī)體清除的一種選擇。此外，目前用于SPNs 光聲成像和光熱治療的疾病模型大多為淺表腫瘤模型或腦腫瘤模型，需要建立更相關(guān)的臨床疾病模型來驗(yàn)證SPNs的光聲成像和光熱治療效果，以實(shí)現(xiàn)潛在的臨床轉(zhuǎn)化。
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圖1：用于光聲成像和光熱治療的半導(dǎo)體共軛聚合物納米材料：信號放大和近紅外二區(qū)設(shè)計(jì)策略示意圖?
相關(guān)文章以“Photoacoustic imaging and photothermal therapy of semiconducting polymer nanoparticles: signal amplification and second near-infrared construction”為題，發(fā)表在Small (Small 2021, 2004723)上，文章第一作者為南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院甄敘特聘研究員，通訊作者為南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院蔣錫群教授和南洋理工大學(xué)化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程系浦侃裔教授。
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作者介紹：甄敘，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院特聘研究員、博士生導(dǎo)師. 2014年博士畢業(yè)于南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(博士導(dǎo)師：蔣錫群教授)，隨后在新加坡國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系(合作導(dǎo)師：Wang Chi-Hwa教授)和南洋理工大學(xué)化學(xué)與生物醫(yī)藥工程系(合作導(dǎo)師：浦侃裔教授)從事博士后研究. 2019年加入南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程系. 主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)用高分子材料的設(shè)計(jì)及其在疾病診斷和治療方面的應(yīng)用，具體的研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體共軛聚合物和有機(jī)大分子光學(xué)探針的設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病、炎癥和腫瘤等疾病的早期診斷和治療.
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