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这个科研团队了不起!3年两篇Nature,创造两个首次!(转自 高分子科学前沿)
发布时间:2021-05-19


杨黄浩教授,现任中共福州大学委员会常委、副校长,研究员,博士生导师。

1993-2002年就读于厦门大学,1997年获学士学位,2002年获博士学位;2002-2004年在香港科技大学从事博士后研究;2004-2008年在国家海洋局第一海洋研究所任副研究员;2007-2008年在美国佛罗里达大学进行访问研究;2008年作为“闽江学者特聘教授”引进到福州大学工作;2011年获国家杰出青年科学基金,2013年入选教育部长江学者特聘教授,2014年入选国家万人计划,2014年入选国家百千万人才工程和国家有突出贡献中青年专家,2014年入选英国皇家化学会会士,2015年被评为全国先进工作者,2016年获国务院特殊津贴,2017年6月起任福州大学党委常委、副校长。目前是食品安全与生物分析教育部重点实验室主任,教育部创新团队带头人,福建省2011协同创新中心主任,英国皇家化学会会士,Science China Chemistry、分析化学、化学学报等期刊编委。

在科学研究方面,杨教授带领团队围绕分析化学、纳米医学、生物医学工程等领域进行了较为深入的研究,在方法学和实际应用方面取得了系统性的创新研究成果。已主持国家973计划课题1项、国家863计划课题2项、国家重大科学仪器设备开发专项课题1项、国家自然科学基金重点项目2项。已发表学术论文150余篇,其中发表在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等影响因子大于10刊物的论文40余篇。发表论文总引用次数超过19800次(H因子=73),单篇论文最高被引用2200余次。

三年来发表高水平论文27余篇,影响因子均大于10!

杨黄浩教授课题组长期致力于生物分析化学与纳米生物技术的研究,并取得一系列引领分析化学和纳米技术领域的研究成果。2018年以来,杨黄浩教授课题组共发表高水平论文27余篇,单篇论文影响因子均10+以上!!包括2篇Nature、2篇Chemical Society Reviews、4篇JACS、9篇Angew Chemie、1篇AM、6篇AFM、3篇ACS Nano

相关研究工作梳理如下:1)纳米晶闪烁体材料2)分子识别和分子组装3)细胞膜蛋白功能成像和活性调控新方法4)基于纳米材料和生物高分子的疾病治疗新方法

Part1. 对焦卡脖子技术,三年两篇Nature,剑指闪烁晶体材料

2018年,医学影像设备元器件与光刻机、芯片、航空发动机等一并被《科技日报》列为“卡住中国脖子的35项技术”。其中,X射线影像技术在医学诊断、安全检查、工业无损探伤上具有广泛而重要的应用。当前主流的X射线成像技术是X射线平板型探测器(FPD),可以直接将二维投影转化为数字信号。FPD由一层闪烁体(将X射线转换成光的材料)和一层高度像素化的光电薄膜晶体管(TFT)组成,后者将发射的光转换成电流以进行计算图像重建。近年来,随着各领域对辐射探测材料的不断增加的需求,对于闪烁体的研究也显得越来越重要。

然而目前,传统的闪烁体材料一直受限于高温合成、难以在柔性基底上大面积制备、成本昂贵、发光效率有限、辐射发光波长不易精细控制等问题。此外,平板检测器价格昂贵并且不适用于弯曲或不规则形状的物体的三维(3D)X射线成像。因此,柔性X射线检测器尚未得到很好的开发。如何对弯曲或不规则形状的3D物体进行高分辨率X射线成像一直是一个巨大的挑战。

为了攻克上述重大的技术难题,对焦卡脖子技术,杨黄浩教授带领团队苦心钻研,联合国内外科研机构,剑指闪烁晶体材料,并取得重大研究进展。2018年8月和2021年2月,杨黄浩教授课题组两次在世界顶级期刊《Nature》上刊登闪烁体材料领域的重磅成果!这标志着我国在柔性X射线成像技术方面进入国际先进行列,并有望突破国外的技术限制,推进高端X射线影像装备的国产化。

(一)2018年首次发现全无机钙钛矿纳米晶闪烁体,实现了福州大学在《Nature》发表科研成果零的突破!!

过去数十年以来,闪烁体材料仍然存在发光调控难、能量转化效率低、需高温煅烧合成等问题,在工业应用方面仍然存在重大挑战。

为解决上述问题,2018年8月27日,福州大学杨黄浩教授新加坡国立大学刘小钢教授团队西北工业大学黄维院士联合在《Nature》上刊文报道了一类含有Cs和Pb的全无机钙钛矿纳米晶闪烁体(All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators)。

文章亮点:1)该闪烁体在X射线辐射下可产生较强的辐射发光,发出颜色连续可调的全色域可见光,并由此实现了对X射线的超灵敏检测与高分辨成像。2)据了解,这项研究解决了该领域的一个重大技术挑战,首次实现了X射线的彩色发光显示,X射线检测灵敏度达到13 nGy/s,比目前医用X射线成像使用剂量小400倍。与传统方法相比,该研究率先实现了低温溶液法涂层法制备闪烁体薄膜,易于低成本、大面积制备柔性X射线平板探测器,为数十年以来X射线成像装置制备工艺的重大突破。3)此外,该成果对X射线闪烁体材料的发展与应用具有重要的科学意义,降低X射线在医学诊断和X光机安全检查等方面的辐射使用剂量,在医学诊断、国防、安检、半导体工业等高、精、尖技术领域均有重要的应用前景。

据悉,该论文是福州大学与新加坡国立大学刘小钢教授、西北工业大学黄维院士共同完成的,杨黄浩教授是该论文的共同通讯作者,福州大学是论文的共同通讯单位,实现了福州大学在该顶级杂志发表科研成果零的突破!!!


参考文献:Chen, Q., Wu, J., Ou, X. et al. All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators. Nature 561, 88–93 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0451-1

(二)2021年报道镧系元素掺杂纳米晶闪烁体,实现了福州大学首次以第一作者和第一单位在《Nature》发表论文

尽管全无机钙钛矿纳米晶闪烁体的发现,极大地推动了X射线成像技术的发展。但是,平板检测器价格昂贵且不适用于弯曲或不规则形状的物体的三维(3D)X射线成像。因此,柔性X射线检测器尚未得到很好的开发。而使用刚性的平板探测器难以实现曲面或者不规则目标物的三维X射线成像。

为攻克这一关键技术瓶颈,2021年2月18日,福州大学陈秋水教授杨黄浩教授联合新加坡国立大学刘小钢教授,再次在《Nature》上刊登关于闪烁体研究的最新成果(Nature, 2021,590,410-415)。

该工作报道了一类镧系元素掺杂的纳米晶闪烁体,该晶体可以将X射线辐照产生的激发电荷载流子存储在晶格缺陷中数周,可诱导超过30天的持续放射发光。研究人员利用这些持久发光纳米晶体,制造了用于高分辨率3D射线照相的柔性X射线探测器,并开发了一种称为X射线发光扩展成像(Xr-LEI)的新技术。使用该技术能够在X射线终止后对高度弯曲的3D对象执行射线照相,而这是常规平板X射线探测器或基于同步加速器的X射线显微镜无法实现的。

据悉,这是继杨黄浩教授研究团队在2018年实现福州大学首次以通讯单位在《Nature》发表论文以来,再次在X射线成像技术方面取得重要突破,实现了福州大学首次以第一作者/第一单位在该杂志上发表论文!!


参考文献:Ou, X., Qin, X., Huang, B. et al. High-resolution X-ray luminescence extension imaging. Nature 590, 410–415 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03251-6

Part 2. 细胞膜蛋白功能成像及活性调控系列进展

(三)J. Am. Chem. Soc.:基于受体适体识别和邻近诱导DNA组装的受体基因及其二聚体实时成像的非遗传方法

蛋白质间相互作用在多种生物学过程中起着关键作用。通常,细胞表面受体蛋白二聚化被认为是细胞内信号转导的第一步,对于正常的生物信号传导以及癌症发生、发展至关重要。荧光探针技术由于其速度,简单性和敏感性而被广泛用于跟踪和分析受体二聚体或细胞表面的蛋白质修饰。

然而这些方法非常依赖复杂费时的基因工程技术,存在无法进行临床实际样品测定等瓶颈问题,鉴于此,杨黄浩教授李娟教授课题组提出了一种基于受体适体识别和邻近诱导DNA组装的受体基因及其二聚体实时成像的非遗传方法。

该策略结合核酸适体特异识别与邻近引发DNA自组装技术,实现对活细胞膜表面受体由无生物活性c-Met受体单体向有生物活性二聚体转化过程的实时示踪成像。

文章亮点:1)由于适体是功能性单链核酸,对特定分子靶标具有高特异性和亲和力,因此能够简便、快速并能无损的保留受体蛋白活性,无需复杂费时的基因工程修饰受体蛋白;2)该策略通过简单的更换核酸适体即可适用于其它蛋白的研究(如:转化生长因子-β二型受体type II TGF-β receptor),具有良好的通用性。3)此外,标记有FAM的受体识别探针可用于检测受体单体的量。且适用于不同的生物样本,如活细胞、组织等,有望用于实际临床样品的分析。

因此,所构建的实时成像新策略在深入研究蛋白二聚化过程以其相应的信号转导通路等方向具有良好的应用前景。



参考文献:Nongenetic Approach for Imaging Protein Dimerization by Aptamer Recognition and Proximity-Induced DNA Assembly. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12, 4186–4190. https://doi.org/10.1021/jacs.7b11311

(四)J. Am. Chem. Soc.:基于邻近诱导的杂交链反应实现斑马鱼中的蛋白质特异性糖基化的放大可视化

众所皆知,蛋白糖基化是一类广泛存在于绝大多数真核细胞中的复杂的蛋白质翻译后修饰,能精细调节蛋白质功能,参与了许多重要的生理过程。因此,实现活细胞表面特定蛋白糖基化的可视化研究,对在细胞动态生理环境下阐明蛋白糖基化功能至关重要。

近年来发展的一些联合化学手段的荧光标记技术,利用荧光共振能量转移技术(FRET)实现特定蛋白糖基化的可视化检测。然而,FRET成像方式普遍存在背景信号高、效率低、选择合适供体/受体荧光分子对上存在困难等问题。

为了解决上述问题,福州大学杨黄浩教授李娟教授课题组利用DNA邻近杂交和杂交链反应(HCR),设计了一种核酸构象变化诱导HCR新策略用于活细胞表面特定蛋白糖基化的放大成像。

文章亮点:1)通过设计糖基标记核酸探针和蛋白识别探针,实现了活细胞表面PTK7蛋白以及EpCAM蛋白特异性的糖基化检测。2)利用探针间的邻近杂交引发HCR的信号放大,能够灵敏地检测不同浓度药物作用下蛋白糖基化水平的变化。3)该方法适用于不同的生物样本,如活细胞、斑马鱼等,有望用于实际临床样品的分析,为深入研究特定蛋白糖基化在相关疾病发生发展中作用提供了新思路,



参考文献:Amplified Visualization of Protein-Specific Glycosylation in Zebrafish via Proximity-Induced Hybridization Chain Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 48, 16589–16595. https://doi.org/10.1021/jacs.8b08442

(五)J. Am. Chem. Soc.:双特异性核酸适体诱导人工蛋白配对

细胞表面受体在调节细胞内信号转导中起关键作用,使其成为重要的药物靶标。然而,开发选择性和有效的策略来调节受体功能仍然具有挑战性。为实现高效的膜蛋白活性调控,福州大学杨黄浩教授李娟教授课题组首次开发了一种“双特异性核酸适体诱导的人工蛋白配对(Bispecific Aptamer Induced Artificial Protein-Pairing,BAAP)”新策略,以实现高选择性、高效抑制受体蛋白的活性及下游信号通路和细胞行为。

文章亮点:
1)设计一种双特异性核酸适体探针,同时靶向识别细胞膜表面两种不同受体蛋白:靶标蛋白(c-Met受体)和配对蛋白(转铁蛋白受体,TfR),从而使这两种蛋白紧密靠近活细胞膜。2)配对的蛋白质不仅可以用作增强细胞选择性的癌症生物标志物,而且还可以通过强大的位阻作用来抑制靶受体功能。3)与单适体介导的调节相比,建议的双特异性适体探针在选择性和有效调节受体功能和下游信号通路方面提供了实质性的改进。这项工作为设计可以调节受体功能的分子介体提供了一种通用的方法,从而为开发新型治疗药物提供了一种新途径。



参考文献:Liping Wang, Hong Liang, Jin Sun, Yichang Liu, Jinyu Li, Jingying Li, Juan Li*, Huanghao Yang*. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 12673-12681, DOI: 10.1021/jacs.9b05123

Part 3. 肿瘤成像及免疫治疗系列进展

光致发光(PL)成像是一种用于在活细胞,组织和生物体(包括人类)中进行实时非侵入性成像的有效技术。在体内使用的PL探针中,荧光蛋白和小的有机染料引起了人们的强烈兴趣。在过去的几十年中,荧光蛋白的调色板扩展到了近红外I区(NIR-1,650-900 nm)。然而,在这样一个区域的PL成像可能仍然面临有限的体内信噪比。

最近,由于在该光谱中生物分子和组织的自发荧光减弱和光子散射减弱,第二个近红外窗口(NIR-II,1000-1700 nm)内的PL成像已将生物成像推进到时空分辨率和灵敏度的新领域,致力于合成NIR-II发光有机染料和纳米材料。特别是,NIR-II发光纳米材料具有很高的理化稳定性,多样化的修饰和可调节的PL特性,因此具有吸引力。因此,它们对于敏感的体内深层组织成像很有前途,但发挥诸如具有长期生物安全性和特异性且强大的生物标记能力的荧光蛋白等功能仍然是一个巨大的挑战。

(六)Angew. Chem. Int. Ed.:基于NIR-II金纳米团簇的蛋白质生物标记用于对体内肿瘤进行靶向成像

近红外II区(NIR-II)光致发光成像可用于对体内的深部组织进行成像。然而,如何设计明亮的NIR-II发光纳米材料,并使其能够在不影响蛋白质体内生理特性的情况下有效地标记蛋白质仍然是一个很大的挑战。

为解决上述问题,福州大学杨黄浩教授、中科院福建物构所陈学元研究员和新加坡国立大学谢建平教授开发了一种高效的策略来合成具有良好生物相容性、环糊精(CD)保护的、具有明亮的NIR-II区发光的金纳米团簇(CD-Au NCs)。

文章亮点:1)利用超小尺寸的Au NCs(<2 nm)和强大的基于大环的宿主-客体化学,合成的CD-Au NCs可以轻松标记蛋白质/抗体。2)被CD-Au NCs标记后蛋白或抗体也能够在血液循环过程中实现高效的体内追踪,而不会干扰其生物分布和肿瘤靶向能力,从而可实现敏感的肿瘤靶向成像。2)此外,CD-Au NCs在恶劣的生物环境中仍能保持稳定,具有良好的生物相容性和较高的肾脏清除效率。因此,这一研究开发的NIR-II生物标记也为监测生物分子的生理行为提供了一个新型高效的平台。



参考文献:Xiaorong Song. et al. A New Class of NIR-II Gold Nanoclusters Based Protein Biolabels for In Vivo Tumor-Targeted Imaging. Angew. Chem. Int. Ed.. 2020. DOI: 10.1002/anie.202010870. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202010870

(七)ACS Nano:双响应囊泡NIR-II光声成像引导化疗免疫治疗

光声(PA)成像是一种非侵入性生物成像技术,与时空分辨率和敏感性相比,具有更高的时空分辨率和更深的组织穿透力。然而,黑色素,血红蛋白和脂肪组织等生物成分可以在第一个近红外(NIR-1,650-900 nm)窗口吸收和散射光,从而导致背景干扰,自发荧光和低激发能。这会降低PA成像的灵敏度,空间分辨率和对比度。相比之下,第二个近红外(NIR-II,1000-2000 nm)窗口中的PA成像由于在该区域内源性生物分子的光吸收和散射较低,因此显示的自发荧光极小,无背景信号,灵敏度和空间分辨率更高,并且组织穿透更深。然而,很少有可在NIR-II窗口中吸收光的PA成像造影剂。

基于此,福州大学杨黄浩宋继彬和中科院长春应化研究所李占伟等人开发了双生物响应性纳米间隙金纳米粒子囊泡,负载免疫抑制剂并携带抗癌聚合物前药,用于协同抗原发性和转移性肿瘤的同步化疗免疫治疗,同时实现了第二近红外(NIR-II)窗口通过光声(PA)成像引导载物释放。

文章亮点:1)响应囊泡是通过自组装接枝有聚乙二醇(PEG)和双pH / GSH响应的聚产物聚(SN38-co-4-乙烯基吡啶)(称为AuNNP @ PEG / PSN38VP),在NIR-II窗口中显示出强烈的PA信号。2)通过计算仿真,阐明了疏水性聚合物PSN38VP的刚性对组装结构的影响以及AuNNP @ SN38 Ve的形成机理。免疫抑制剂BLZ-945被封装在囊泡中,导致BLZ-945的pH响应释放,用于靶向免疫治疗,然后将囊泡解离为单个AuNNP @ PEG / PSN38VP。3)亲水的AuNNP @ PEG / PSN38VP纳米颗粒可以在还原环境下深入肿瘤组织并释放出抗癌药物SN38。在肿瘤深处的NIR-II窗口中获得了PA信号。装载BLZ-945的囊泡能够增强PA成像引导的同步化学免疫治疗功效,从而抑制原发性肿瘤和转移性肿瘤的生长。



参考文献:Rong Zhu, et al. Biologically Responsive Plasmonic Assemblies for Second Near-Infrared Window Photoacoustic Imaging-Guided Concurrent Chemo-Immunotherapy. ACS Nano, 2020. DOI: 10.1021/acsnano.9b07984https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07984

(八)Angew:Janus Au-MnO纳米粒子的超声激活囊泡促进原位肝癌的肿瘤穿透和声波化学动力疗法

声动力疗法(SDT)是一种基于超声的治疗方式,通过超声刺激下产生活性氧(ROS)和声空化作用杀死癌细胞,具有高穿透性,无创性和可控制性的优点,适用于深部肿瘤。然而,当前用于SDT的纳米平台由于其大尺寸而不能充分发挥超声(US)的优势,敏感性低,治疗效果有限。此外,仍然缺乏具有高灵敏度,安全性和渗透性的有效的声敏剂。

针对这些问题,福州大学杨黄浩教授宋继彬教授课题组设计了一种新型高效的声敏剂:通过修饰了PEG和ROS敏感聚合物的Janus Au-MnO纳米颗粒(JNPs) 组装形成具有超声(US)和谷胱甘肽(GSH)双响应囊泡。

文章亮点:1)在US辐射下,囊泡被分解成小的Janus Au-MnO纳米颗粒(NPs),具有更强的渗透能力。2)随后,在肿瘤微环境中过表达的GSH触发下MnO降解并同时释放出较小的Au NPs(作为众多空穴成核位点)和Mn2+(用于化学动力学治疗(CDT)),从而导致大量活性氧(ROS)生成,通过协同SDT/CDT抑制原位肝肿瘤生长。3)此外,这种智能纳米平台还可在第二近红外(NIR)窗口中进行双模态光声成像和由于释放的Mn2+引起的T1-MR成像,为成为成像引导的深部肿瘤精准治疗药物提供思路。



参考文献:X. Lin, S. Liu, X. Zhang, R. Zhu, S. Chen, X. Chen, J. Song, H. Yang, An Ultrasound Activated Vesicle of Janus Au‐MnO Nanoparticles for Promoted Tumor Penetration and Sono‐Chemodynamic Therapy of Orthotopic Liver Cancer. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 1682. https://doi.org/10.1002/anie.201912768

除了上述代表性研究成果,杨黄浩教授课题组在细胞膜蛋白功能成像和活性调控新方法以及肿瘤成像与治疗等领域还取得了大量的优秀研究成果,譬如:

细胞膜蛋白功能成像和活性调控:Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 60, 1306-1312;ACS Nano 2020, 14, 3991-4006;Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1545-1568;Adv. Mater. 2019, 31, 1805875;Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 3073-3101;J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8158-8170;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2019, 58, 5236-5240;

肿瘤成像及免疫识别与治疗:Adv. Funct. Mater. 2020, 2006353;Adv. Funct. Mater. 2021, 10.1002/adfm.202010337;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 10.1002/anie.202015082;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59, 22202-22209;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59, 12022-12028;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59, 1682-1688;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59,14212-14233;Adv. Funct. Mater. 2019, 1908381;Adv. Funct. Mater. 2019, 1905758;ACS Nano 2019, 13, 8505-8511;ACS Nano 2019,13, 2103-2113;Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018, 57, 4902-4906;Adv. Mater. 2018, 30, 1704639;Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707496.

由于篇幅限制,在此不一一介绍,感兴趣的同学可前往杨黄浩教授课题组网页学习。

课题组网页链接:https://www.x-mol.com/groups/yang_huanghao



课题组简介杨黄浩教授课题组于2008年9月建立,主要从事生命分析化学、化学生物学、生物医学工程领域的研究。课题组拥有化学、材料、药学、生物医学工程等多学科交叉的教师团队,包括国家杰出青年基金获得者/长江学者特聘教师1人,国家级高层次青年引进人才3人,国家优秀青年基金获得者1人,福建省闽江学者特聘教授6人。课题组已获得了国家自然科学基金重点项目、国家重大科学研究计划课题、国家973计划课题、国家重大科学仪器设备开发专项课题、国家科技支撑计划课题等项目的资助,具有从事生物分析、纳米药物、生物材料、细胞和分子生物学、动物实验的优异研究条件,科研氛围浓郁,实验设备齐全,科研条件完善。

课题组自成立以来,在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano等期刊发表论文100余篇,研究成果获得福建省自然科学奖一等奖1项