长余辉发光是一种无需实时激发、可储存光能并缓慢释放光子的成像技术。相较于传统荧光成像，长余辉成像消除了组织自发荧光的干扰，具有更高的成像信背比。长余辉发光成像材料包括无机化合物、高分子聚合物、有机小分子等，开发更为安全高效的长余辉分子用于生物成像是该领域的重要研究方向。当前，具有明确“分子结构—发光强度”关系、可用于高对比度激活型成像的有机长余辉分子仍然稀缺。
近日，中国科学院杭州医学研究所谭蔚泓、王友娟、王雪强团队在Angewandte Chemie International Edition期刊上首次报道了香豆素衍生物分子呈现明亮的长余辉发光，并揭示刚性香豆素分子结构比其柔性及骨架类似物分子结构具有更强的长余辉发射。进一步设计了基于香豆素分子的过氧亚硝酸盐（ONOO-）激活型长余辉探针C545-MP NPs，实现了溃疡性结肠炎和帕金森病小鼠模型中病变区域的精准成像与疗效评估。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.3724922
- 核心发现：香豆素衍生物具有长余辉性质
本研究报道了全新的有机余辉发光分子平台—香豆素衍生物。通过对九种代表性香豆素分子的系统筛选，研究团队首次证实香豆素衍生物在光激发后能够产生明亮的长余辉发光。进一步系统揭示其构效关系：分子骨架的刚性是提升发光效率的关键，其中香豆素545（C545）具有相对最佳的长余辉性能。
图1. 香豆素衍生物的长余辉发光表征
- 机理阐明：¹O₂介导的余辉发光通路
香豆素衍生物的长余辉发光依赖氧气参与：光激发下香豆素衍生物敏化氧气产生单线态氧（¹O₂），¹O₂进攻分子骨架形成高能中间体，随后中间体裂解释放能量产生长余辉发光。长余辉发光强度与单线态氧的产量、单线态氧与香豆素衍生物分子的加成能力密切相关。刚性结构的香豆素衍生物兼具高活性氧产量与高活性氧反应性，因而展现出最优异的长余辉强度。
图2.香豆素衍生物长余辉发光的机制研究
- 探针设计：ONOO⁻激活型长余辉探针
在明确香豆素衍生物分子的长余辉性能与发光机制的基础上，该研究将香豆素545分子与ONOO⁻响应底物MP整合制备了激活型长余辉探针C545-MP NPs，其中MP分子同时含有识别ONOO⁻的硼酸酯基团和可被¹O₂氧化的亚甲基环丁烷单元。当ONOO⁻与光照射同时存在时，ONOO⁻氧化硼酸酯基团，光照下香豆素545产生的¹O₂攻击亚甲基环丁烷形成高能中间体，中间体不稳定释放能量产生长余辉发光，实现对ONOO⁻的高信噪比检测。
图3. ONOO⁻响应型可激活探针C545-MP NPs的长余辉发光性能
- 组织穿透深度：远超荧光成像的组织穿透能力
组织穿透研究表明长余辉成像信背比（SBR）和穿透深度优于荧光成像。C545-MP NPs的长余辉信号组织穿透深度可达10 mm，而其荧光信号的组织穿透深度仅1.0 mm。C545-MP NPs置于小鼠身体下部时，长余辉SBR达到18.6，是其荧光信号的23.3倍。另外，预激活的C545-MP NPs经皮下注射至小鼠背部后，长余辉SBR达到290.3，是其荧光信号SBR的103.7倍。
图4. 组织穿透深度研究
- 溃疡性结肠炎成像：精准评估炎症与治疗效果
在溃疡性结肠炎小鼠模型中，探针C545‑MP NPs经腹腔注射后5分钟，即可在DSS诱导的炎症结肠区域检测到2.14倍强于对照组的余辉信号，而经胆红素或5‑ASA药物治疗后该信号明显减弱，证实两种药物均可有效缓解结肠炎症并降低ONOO⁻水平。该余辉信号可持续监测45分钟，为动态评估炎症进程提供了充足的成像窗口。结合H&E染色与Ly6G⁺免疫荧光染色的组织学分析，进一步验证了该探针在结肠炎精准诊断及药物疗效评估中的可行性。
图5. DSS诱导的溃疡性结肠炎中ONOO⁻的长余辉发光成像
6. 帕金森疾病脑部成像：监测神经炎症生物标志物
首先，在鱼藤酮（Rotenone）诱导的细胞PD模型中，C545‑MP NPs探针展现出良好的ONOO⁻响应性，加入抗氧化剂NAC后，长余辉信号强度显著降低，验证了其对细胞内ONOO⁻水平变化的灵敏监测能力。进一步在MPTP诱导的PD小鼠模型中，探针注射后，MPTP模型组脑部区域的余辉信号强度较野生型（WT）组高出1.45倍，而经左旋多巴（L‑DOPA）治疗后信号明显降低。同时，酪氨酸羟化酶（TH）免疫荧光染色结果证实了PD模型构建成功及L‑DOPA的治疗效果。以上结果表明，C545‑MP NPs探针为帕金森病的早期诊断与疗效评估提供了有效的分子成像工具。
图6. 帕金森疾病脑部ONOO⁻的长余辉发光成像
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