​复旦大学张凡Nano Lett. | 近红外二区比率荧光生物支架,用于原位监测骨修复过程
奇物论 2022-01-14
骨修复是最复杂的生物学过程之一,其中包括细胞增殖、分化和组织形态变化等过程,大致可分为三个相互重叠的阶段:炎症反应、血管生成和骨重塑。整个骨修复周期通常需要几个月甚至几年,同时伴随着植入物的降解,最终实现新生骨的正常形态和生物功能性。在临床上,医生需要对骨修复患者的每个阶段进行及时诊断和医疗干预,才能获得理想的治疗效果。然而,超声、CT、MRI和PET成像等传统医学检测方法难以实时报告骨修复的整个进程,并且存在放射性等限制。因此,能够原位监测骨修复过程中的炎症反应、血管生成和植入物降解对于基础医学研究和临床转化具有重要意义。


近日,复旦大学张凡教授团队提出了一种基于3D打印生物活性玻璃支架的集成活体荧光成像策略,支架体系包含稀土纳米颗粒-有机染料杂化的近红外二区比率型荧光探针,可以用于原位监测骨修复过程中的早期炎症反应、血管生成和植入物降解。

相关论文发表在Nano Letters上,复旦大学化学系裴鹏博士,陈莹博士研究生和温州医科大学胡宏悻博士研究生为文章的共同第一作者;复旦大学张凡教授、上海市第六人民医院赵世昌医生为通讯作者。该研究工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、上海市分子催化和功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会等机构与项目的大力支持。

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实验思路图

【图文详解】
图1:团队选用具有优异生物相容性的生物活性玻璃(BG)作为支架的基质材料,以具有近红外二区发光性质的稀土纳米颗粒(ErNPs)作为发光核,通过3D打印技术制备得到ErBG支架,并在支架表面修饰HClO响应的荧光染料(IR808)作为响应基团,最终构建得到了近红外二区比率荧光生物支架(ErBG@IR808)。由于IR808的吸收谱与ErNPs的808 nm激发带的高度重叠,基于竞争吸收原理,ErBG支架在808 nm激发下的1525 nm发射显著猝灭,并且可以通过HOCl诱导IR808降解而恢复ErNPs的1525 nm荧光信号,而980 nm激发时的1525 nm发射不受影响。因此,ErBG@IR808支架可以通过808 nm通道和980 nm通道的荧光信号变化检测炎症部位的HOCl。
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图1.(a)ErNPs的TEM图片;(b)ErBG支架的SEM图片;(c)ErBG支架的元素Mapping图片;(d)ErNPs和IR808的吸收光谱;(e)ErBG@IR808支架响应HClO的荧光成像照片,以及(f)对应的荧光光谱;(g)ErBG@IR808支架的ROS选择性;(h)ErBG@IR808支架在不同激光功率下的荧光稳定性;(i)ErBG@IR808支架在PBS中的荧光稳定性。

图2:首先,团队发现,808 nm通道和980 nm通道的比率荧光信号对HClO含量具有明显的线性响应关系,并且在深达4 mm的模拟组织下,仍然可以保持良好的稳定性,表明ErBG@IR808支架具有在活体中检测炎症的潜力。

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图2.(a)体外模拟ErBG@IR808支架在深组织下响应HClO示意图;(b)ErBG@IR808支架的尺寸信息;(c,d)比率荧光成像检测HClO;(e,f)比率荧光信号在不同组织深度下的稳定性。

图3:然后,团队构建了小鼠颅骨缺损模型,并将ErBG@IR808支架植入到缺损部位。结果发现,由于近红外第二成像窗口具有深组织穿透和低组织散射的特点,无需任何侵入性操作就可以实时监测到支架在活体中的荧光信号。更为重要的是,通过比率荧光成像可以避免组织肿胀所引起的荧光信号波动,从而准确监测骨修复过程中的炎症过程,并且与临床上血常规检测结果高度一致。

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图3.(a)活体监测骨修复过程中炎症反应示意图;(b)支架在骨缺损部位的比率荧光成像照片;(c)808 nm和980 nm通道的荧光信号变化;(d)比率荧光信号变化;(e)血常规结果

图4:进一步,团队通过静脉注射近红外二区小分子探针LZ1105与ErBG@IR808支架的近红外二区荧光信号进行共定位,原位监测骨修复过程中的血管生长情况。结果表明,在支架植入后1天,缺损部位没有明显血管生成;在21天时,可以观察到大量新生血管沿着支架空隙生长;进一步延长观察期至90天时,发现新生血管继续形成并扩散至整个骨缺损区。更为重要的是,可以通过活体荧光定量分析计算不同时间点的新生血管数量,并与传统离体样本CT分析结果一致。此外,近红外二区荧光信号还可以在长达12周的时间内,原位监测支架的体内降解情况。
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图4.(a)活体监测骨修复过程中血管生长示意图;(b,c)骨缺损部位新生血管的荧光成像照片和统计分析;(d,e)骨缺损部位新生血管的micro-CT成像照片和统计分析;(f)VEGF表达情况。

图5:最后,团队还系统研究了lErBG@IR808支架的活体成骨性能。结果表明,掺杂稀土纳米颗粒-有机染料杂化探针不会影响支架的生物活性,并且lErBG@IR808支架可以促进血管生长和新骨形成,加速骨缺损修复。此外,H&E染色结果显示,支架在植入后12周内对小鼠的心、肝、脾、肺和肾等器官没有损伤,表明lErBG@IR808支架在长期监测骨修复进展中具有良好的活体生物相容性。
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图5.(a)离体骨缺损样本的光学照片和荧光照片;(b,c)Micro-CT照片和新生骨统计分析;(d)新生骨组织的连续荧光标记照片;(e)Masson染色;(f)对OCN免疫组化染色。

【总结】
总之,团队通过构建稀土纳米颗粒-有机染料杂化探针掺杂的近红外二区比率型生物玻璃支架,可以实现活体原位监测骨修复过程中的炎症反应、血管生成和支架降解;并且该支架具有良好的生物活性,可以促进血管再生和新骨生成。未来,这种集成的近红外二区荧光成像策略还可以进一步拓展到原位监测血管、神经等组织工程的进程,以及可植入医疗器械与宿主的免疫反应。
原文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04356

通讯作者信息:

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张凡,教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者,中组部青年拔尖人才。2008年在复旦大学化学系博士毕业后赴美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学与生物化学系进行博士后研究。2010年加入复旦大学化学系,2012年协调成立复旦-陶氏化学联合研究中心,任研究中心副主任,2013年底开始任复旦大学化学系教授。2020年成立上海市生物医学检测试剂工程研究中心,任中心主任。张凡教授主要从事于稀土近红外荧光纳米探针和有机分子探针的设计合成以及生物医学诊断分析。已发表SCI论文100余篇,其中包括Nat. Maters.(自然-材料), Nat. Nanotechnol.(自然-纳米技术), Nat. Commun(自然-通讯)等Nature系列论文10篇,他引2万余次,H index 80,累计超过30篇论文入选ESI高被引论文,2018-2021入选全球高被引学者。撰写出版英文专著2部。获得2020年度国家自然科学一等奖(第四完成人)、2019年度教育部自然科学一等奖、侯德榜化工科技奖、上海市科技进步奖等奖、上海市青年英才科技奖等荣誉。受邀在国际会议上作大会邀请报告30余次,同时担任国际期刊Frontiers in Chemistry (Nanoscience Section)执行主编。

课题组主页:http://nanobiolab.fudan.edu.cn/


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