拉曼光譜是一種通過(guò)檢測(cè)分子的非彈性光散射,，獲取其分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)信息的光譜技術(shù),。作為熒光或其它成像方式的補(bǔ)充，拉曼光譜成像具有“指紋圖譜”的高特異性,、信號(hào)不易光漂白,、易實(shí)現(xiàn)多重成像等優(yōu)點(diǎn)，成為分析化學(xué),、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域前景廣闊的成像技術(shù),。但是，每1000萬(wàn)個(gè)入射光子中僅有1個(gè)會(huì)發(fā)生拉曼散射,，因而小分子的自發(fā)拉曼成像信號(hào)是極微弱,、難以檢測(cè)的。為增強(qiáng)信號(hào),，目前策略主要依賴(lài)于表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù),，即通過(guò)在金、銀等基底材料表面吸附拉曼小分子,，使信號(hào)放大108-1011倍，以實(shí)現(xiàn)高靈敏成像,。SERS技術(shù)自2006年用于活體成像以來(lái)獲得了顯著進(jìn)展,。然而，這些SERS基底材料存在生物安全性問(wèn)題,，成為長(zhǎng)久以來(lái)制約拉曼光譜成像技術(shù)在活體生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用及轉(zhuǎn)化的瓶頸問(wèn)題,。
近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院肖澤宇教授,、復(fù)旦大學(xué)陸偉教授,、中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)所方曉紅教授團(tuán)隊(duì)合作，在Nature Biotechnology期刊在線發(fā)表了題為“Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo”的研究論文,，揭示了一類(lèi)特定結(jié)構(gòu)的小分子,，不需要依賴(lài)基底，僅通過(guò)自身的有序堆疊,，實(shí)現(xiàn)在活體中的高靈敏拉曼成像,，并提出一種新的拉曼散射增強(qiáng)機(jī)理－“堆疊誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)拉曼散射（SICTERS）”。該研究為設(shè)計(jì)生物安全的高靈敏拉曼影像探針,，并推進(jìn)拉曼影像分析技術(shù)的活體生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新思路,。
Nature Biotechnology雜志在同期以“Small molecules self-organized in an orderly manner to enhance Raman signals ”為題，對(duì)該工作從領(lǐng)域問(wèn)題,、科學(xué)發(fā)現(xiàn),、未來(lái)方向等方面進(jìn)行了詳細(xì)的亮點(diǎn)介紹，并配發(fā)了國(guó)際同行專(zhuān)家的評(píng)價(jià),，認(rèn)為“這個(gè)原創(chuàng)性的工作代表了活體拉曼生物成像技術(shù)的突破,，并有潛力將其應(yīng)用于臨床－This original and innovative work represents a breakthrough for in vivo Raman bioimagingand its potential translation to clinical use.”
在本工作中,，研究團(tuán)隊(duì)揭示一類(lèi)以雙噻吩基取代作為供體（D）、苯并雙噻二唑作為受體（A）的共軛有機(jī)小分子（如BBT）,。該類(lèi)分子具有D-A-D的平面構(gòu)象和平面內(nèi)的多環(huán)振動(dòng)模式,；分子能夠在空間中有序自堆疊，使其相鄰分子間D和A單元的間距在3.6?左右,，促進(jìn)了相鄰分子供體D和受體A單元間在分子內(nèi)及分子間的電荷轉(zhuǎn)移,。一個(gè)受體可以完全接收來(lái)自六個(gè)供體（D2-A--D4）的電子，其中包括兩個(gè)分子內(nèi)供體和四個(gè)分子間供體,。同時(shí),，一個(gè)供體可以向三個(gè)受體（A-D--A2）提供電子，包括一個(gè)分子內(nèi)受體和兩個(gè)分子間受體（圖1a）,。這樣的空間排列及相互作用重新調(diào)整了電荷分布,，形成了新型的三維電荷轉(zhuǎn)移，顯著增加分子自身極化率,，并增強(qiáng)拉曼散射,。研究團(tuán)隊(duì)將此類(lèi)增強(qiáng)拉曼散射定義為堆疊誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)拉曼散射（SICTERS）。
為實(shí)現(xiàn)活體生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了SICTERS探針—臨床可用的DSPE-PEG劑型包覆的BBT納米粒（BBT NPs）,，該納米劑型顯著提升了BBT在體內(nèi)系統(tǒng)循環(huán)時(shí)的穩(wěn)定性。此外,，研究人員制備了與BBT NPs尺寸相近的SERS探針—金納米粒（Au NPs）,，并進(jìn)行了拉曼散射增強(qiáng)能力的定量比較。研究表明,，基于SICTERS技術(shù)的BBT NPs每個(gè)粒子的拉曼散射截面是基于SERS技術(shù)的Au NPs的1350倍,。重要的是，基于SICTERS技術(shù)的BBT探針在組織臟器中的分布水平隨時(shí)間推移顯著降低,，并經(jīng)肝臟代謝糞便排出,，血液學(xué)及組織學(xué)分析也展示了生物安全性；而SERS技術(shù)的金探針在肝臟等組織臟器中長(zhǎng)期滯留,，難代謝消除,。
最后，研究團(tuán)隊(duì)探索該技術(shù)用于活體術(shù)中微小腫瘤成像,、無(wú)創(chuàng)淋巴回流成像及微小血管成像等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,。結(jié)果表明，SICTERS探針能以最低1mg/kg的給藥劑量（相比SERS探針4mg/kg）實(shí)現(xiàn)術(shù)中對(duì)微小腫瘤的高分辨成像,，并指導(dǎo)切除,，降低術(shù)后復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移。重要的是,，SICTERS探針能夠活體無(wú)創(chuàng)的對(duì)淋巴回流及微小血管（~11微米）進(jìn)行高分辨拉曼成像,，這是SERS探針難以實(shí)現(xiàn)的（圖1b）,。
圖1：(a)堆疊誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)拉曼散射（SICTERS）機(jī)理：具有D-A-D平面結(jié)構(gòu)的小分子通過(guò)自身有序堆疊，促進(jìn)了平面內(nèi)和平面外的分子間電荷轉(zhuǎn)移,。這種空間排列重新調(diào)整了電荷分布,，實(shí)現(xiàn)了三維電荷轉(zhuǎn)移，從而大大增加了共振拉曼散射,。(b) SICTERS探針用于活體術(shù)中微小腫瘤成像,、活體無(wú)創(chuàng)淋巴回流成像，活體無(wú)創(chuàng)腹部皮下微小血管成像,。
綜上,，SICTERS在活體拉曼成像分析方面具有兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：首先，SICTERS不依賴(lài)于基底增強(qiáng),，從而避免SERS可能帶來(lái)的生物安全性問(wèn)題,；其次，SICTERS技術(shù)在活體成像的靈敏度,、空間分辨率和成像深度方面均優(yōu)于SERS,。SICTERS作為一種新的增強(qiáng)拉曼散射增強(qiáng)機(jī)理，為拉曼成像探針的分子設(shè)計(jì)提供了新的方向,。
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院肖澤宇教授,、復(fù)旦大學(xué)陸偉教授、中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)所方曉紅研究員為該論文的共同通訊作者,。復(fù)旦大學(xué)高帥博士、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張永明博士,、助理研究員崔凱為該論文的共同第一作者,。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃,、國(guó)際（地區(qū)）合作項(xiàng)目,，上海市科委重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、上海市衛(wèi)健委學(xué)科帶頭人計(jì)劃等多項(xiàng)資金的資助,。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41587-024-02342-9
