连发四篇Nature子刊，湖南大学宋国胜/张晓兵团队在分子影像研究中取得一系列重要进展

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

近日，湖南大学化学化工学院宋国胜教授和张晓兵教授团队接连发表4篇 Nature 子刊论文，分别是一篇 Nature Materials、2篇Nature Biomedical Engineering、1篇 Nature Communications，在分子影像研究中取得一系列重要突破。

2024年11月29日，宋国胜、张晓兵团队在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表了题为：Magnetic-susceptibility-dependent ratiometric probes for enhancing quantitative MRI 的研究论文。

在磁共振成像（MRI）中，由于难以区分探针被分析物激活时的信号与探针完整时的信号，因此无法进行定量测量。

在这项研究中，研究团队展示了通过磁化率依赖的磁共振调谐，采用具有高弛豫率比变化（在7特斯拉下超过2.5倍）的比率型磁共振探针，可以增强成像灵敏度和定量能力。具体来说，含有顺磁性锰-卟啉和超顺磁性氧化铁纳米粒子的聚合物探针能够独立于探针浓度地响应分析物浓度，从而导致纵向和横向磁弛豫的相反变化。

在小鼠身上，这些探针能够实现对皮下肿瘤、因药物诱导损伤的肝脏以及胶质瘤中H2O2、H2S或pH的定量实时动态成像。比率型MRI探针可用于获得病理过程的分子见解，并能够绕过体内探针浓度动态变化所产生的干扰，同时提供解剖学信息。

2024年11月25日，宋国胜、张晓兵团队在 Nature Materials 期刊发表了题为：Responsive probes for in vivo magnetic resonance imaging of nitric oxide 的研究论文。

一氧化氮（NO）是一种重要的信号分子，在生理和病理过程中发挥多方面的作用，包括心血管和免疫功能、神经传递和癌症进展。然而，由于NO的短暂性和生物环境的复杂性，在体内测定NO具有挑战性。

在这项新研究中，研究团队成功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。具体来说，该探针能够检测浓度低至0.147 μM的NO，允许在小鼠肿瘤模型中对NO进行成像和定量，研究其对肿瘤进展和免疫的影响，并评估肿瘤相关巨噬细胞对癌症免疫治疗药物的反应。此外，该探针能同时进行器官的解剖学和分子成像，有助于识别肝脏的病理改变。

总的来说，该探针为研究NO在生理和病理生理过程中的剂量依赖性的相互矛盾的用提供了有前景的非侵入性工具。

2024年10月29日，张晓兵、宋国胜团队在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表了题为：Ultrabright and ultrafast afterglow imaging in vivo via nanoparticles made of trianthracene derivatives 的研究论文。

低灵敏度、光漂白、高功率激发和长采集时间限制了余辉发光的应用。

在这项新研究中，研究团队报告了由富含电子的三蒽衍生物制成的纳米颗粒的设计和成像性能，这些纳米粒子在超低功率（58 μW/cm2）的室内光激发下，发出约500倍于常用有机余辉纳米颗粒的余辉发光。

纳米颗粒的超亮余辉可以用于深组织成像（最深可达6厘米），用于对自然行为的小鼠进行超快的余辉成像（短至0.01秒的采集时间），即使是在超过15个周期的再兴奋后，也可以忽略光漂白，并且可以精确地显示皮下和原位肿瘤以及颈动脉中的斑块。

该研究还表明，仅在颗粒酶B存在的情况下激活的余辉纳米颗粒可以在治疗监测的背景下跟踪颗粒酶B活性。有机余辉纳米颗粒的高灵敏度和可忽略的光漂白为在体实时监测生理病理过程提供了优势。

2024年7月24日，宋国胜、张晓兵团队在 Nature Communications 期刊发表了题为：Imaging-guided companion diagnostics in radiotherapy by monitoring APE1 activity with afterglow and MRI imaging 的研究论文。

使用生物标志物的伴随诊断在指导放疗方面已获得突出地位。然而，基于活检的技术无法解释靶点应答的实时变化和肿瘤异质性。

在这项新研究中，研究团队设计了一种激活的后辉光/MRI探针，作为一种伴随诊断工具，用于在体内放疗期间动态评估生物标志物脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）。使用超亮余辉纳米颗粒和超小FeMnOx纳米颗粒作为双重对比剂，显著扩大了信号变化范围，提高了APE1成像的灵敏度。

该研究设计了纵向和横向减影增强成像（L&T-SEI）策略，以显著增强活体雌性小鼠肿瘤和正常组织的MRI对比度和信噪比。结合后辉光和MRI有助于对APE1活性进行解剖和功能成像。该探针能够将后辉和MRI信号与APE1表达、辐射剂量、肿瘤内活性氧（ROS）和DNA损伤进行相关性分析，从而能够早期预测放疗结果（最早3小时），显著早于肿瘤缩小（6天）。通过监测APE1水平，该探针可以早期、敏感地检测肝器官损伤，其性能优于组织病理学分析。此外，MRI评估APE1在辐射诱导的远端效应中的表达，有助于深入了解辐射诱导的远端效应的机制，并支持治疗方案的制定。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-024-01286-4

https://www.nature.com/articles/s41563-024-02054-0

https://www.nature.com/articles/s41551-024-01274-8

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50688-0

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