1、 全文速览：
X射线具有高穿透性，且在生物样品中几乎不产生任何自发荧光背景干扰等优势。基于X射线发光的闪烁体材料在医学影像、工业无损探测、生物传感和癌症治疗等领域中具有十分重要的应用。本文主要综述了本课题组在用于成像、生物传感、治疗学和光遗传神经调节等领域的X射线发光闪烁体的最新研究进展，并讨论了X射线发光闪烁体研究领域面临的挑战和未来的发展
2、 背景介绍：
X射线发光是闪烁体材料在高能量X射线光子激发下产生的发光现象。由于X射线具有较高的组织穿透性及在生物样品中极低的自发荧光背景等突出优势，X射线发光已成为解决成像、生物传感和治疗学等领域中的技术挑战的理想光学工具。特别是，近年来纳米晶闪烁体的出现进一步拓展了X射线发光的应用场景，如高分辨率X射线成像、生物标志物的无自身荧光检测、深层组织的无创光疗等。同时，X射线发光有望打破深部病灶治疗的深度依赖，实现放疗与光疗的协同治疗。此外，使用X射线发光是一种很有潜力的技术，可以不受组织穿透深度和外部光纤插入造成的损伤影响，实现无线光遗传神经调节。因此，对现有研究报道进行总结和展望有助于推进X射线发光探针的进一步发展，促进其向临床医学和商业应用的转化，具有重要意义。
图1. X射线发光闪烁体用于生物传感，光学成像，光疗法和光刺激神经调节等应用的示意图
3、 本文亮点：
（1） 研究团队系统地梳理了X射线发光技术在在成像、生物传感和治疗学，以及X射线发光诱导的光遗传学神经调节领域中取得的研究进展；
（2） 系统总结了提高X射线发光效率的策略；
（3） 详细讨论了X射线发光研究面临的挑战和未来的发展方向，为进一步推进X射线发光的发展提供有益的指导。
4、 图文解析：
4.1、X射线发光成像及生物传感
数字X射线成像已广泛应用于辐射暴露监测、安全检查、工业无损检测和医疗射线照相。传统的X射线成像技术通常存在设备成本高、辐射剂量大、成像性能差等局限。此外，对三维不规则物体的表面进行成像仍然是一个挑战。得益于在过去的几年里各种X射线发光闪烁体材料的可控制备方法不断发展，为开发新一代高性能的X射线成像技术提供了机会。
（1）基于X射线发光的数字放射摄影术
近年来，可低温溶液法制备的钙钛矿纳米粒子闪烁体为制造低成本、高分辨率X射线成像的大面积薄膜闪烁屏提供了可行性。研究团队发现由铯、铅和卤素原子组成的全无机钙钛矿纳米粒子CsPbX3 (X = Cl、Br、I)，可以通过简单改变卤化物离子的类型，在X射线辐射下获得发射峰窄且覆盖可见光区可调谐的辐射发光。该纳米晶闪烁体可用于制作X射线探测器，并用以实现低成本、高性能的X射线发光平板成像，如用于生物样品的内部状态和内部电子电路板的直接可视化成像。值得一提的是，发展新型高稳定性、环境友好的钙钛矿基X射线发光闪烁体的规模化制备方法是未来该技术商业化的迫切需要。
图2. X射线发光闪烁体及X射线发光平面成像。
柔性X射线发光成像探测屏通常具有较高的机械强度、柔韧性、轻盈等优点。通过弯曲柔性成像屏，将柔性探测器贴合到非平面的物体表面或直接置入狭窄空间内部进行成像，可以有效地减少X射线剂量率分布不均和物体边缘散射造成的图像失真，从而实现高精度成像，具有重要意义。
本团队开发了一系列稀土掺杂的长余辉纳米闪烁体，具有可调谐的X射线发光和超过30天的超长持续发光。本团队将该纳米晶闪烁体与PDMS集成构建了柔性探测器，可实现3D的柔性电路板内表面成像，成像分辨率为20 lp mm-1（精度可达13 μm），并且可以实现多次重复使用。该技术在3D物体表面成像、临床放射摄影、乳房X光摄影等领域拥有巨大的应用潜力。
图3. 纳米闪烁体集成的柔性探测器实现柔性X射线发光成像。
（2）基于X射线发光的体内成像
当前基于紫外或可见(UV-Vis)光激活的传统的活体成像技术仍面临着组织穿透深度有限、光漂白严重、自发荧光高及来自复杂生物体内环境引起的严重的光散射等挑战。利用X射线具有低光散射和高组织穿透能力，有望在荧光背景最小的情况下实现深部组织发光成像，从而获得更高空间分辨率和对比度。本团队与其他团队均报道了利用纳米晶闪烁体材料来构建发光探针，实现了无背景、高对比度的生物发光成像，具有良好的应用前景。
然而，当前最先进的纳米闪烁体在溶液中仍然表现出较低的辐射发光效率，仍需要较大剂量的X射线照射以提高纳米闪烁体探针的辐射发光强度，这不可避免地带来辐射损伤的风险。
图4. X射线激活放射发光用于实时活体成像
长余辉发光荧光粉指激发光停止后，能够持续数秒、数小时甚至数天时间发光的荧光粉。长余辉发光荧光粉用于生物成像可不受实时激励造成的背景干扰影响，有望实现更深层次的组织下的荧光成像。本团队已开发了诸多X射线激活的长余辉发光探针，该类探针能够减少健康组织的辐射损伤，并用于实现深组织、高对比度的余辉发光成像。此外，Zhang团队也开发了具有X射线激活的近红外二区（NIR-II）长余辉发光探针，具有超过72 h的余辉发射。利用此类探针可以实现小鼠的腹部血管、肿瘤和输尿管的NIR-II余辉发光成像，具有更高信噪比和更出色的清晰度。
图5. X射线激活持续发光用于体内成像
（3）基于X射线发光的生物传感与诊断
发光生物传感技术已被广泛应用于各种生物标志物的敏感检测和早期疾病诊断。通过结合各种分子，包括DNA、蛋白质和抗体与纳米闪烁探针，X射线发光闪烁体可以实现无自身荧光、高灵敏度的生物传感。
本团队开发了一种基于 X 射线发光闪烁体的免疫分析方法，并用于实现高灵敏度、高特异性和无背景的检测人类血清中α-胎蛋白(AFP)的检测，其检测限为0.25 ng/mL。此外，还将核酸适配体与X射线发光纳米粒子相结合，开发了基于荧光共振能量转移(FRET)的新型生物传感器，并用于实现溶菌酶的均相检测，检出限为0.94 nM。
图6. 用于生物传感的X射线发光纳米探针的构建与生物传感应用。
除了体外生物传感，X射线发光闪烁体也为体内深层组织生物传感的实现提供了机会。本团队利用核壳结构纳米闪烁体与凝血酶可裂解的多肽相结合，开发了一种基于荧光能量共振转移(FRET)的复合荧光纳米探针，实现早期体内血栓形成的诊断与实时成像。与健康对照组相比，发光强度增加了100多倍。
图7. 利用X射线发光纳米闪烁体实现在大鼠活体早期血栓诊断。
4.2、基于X射线发光激活的治疗
（1）X射线发光激活光疗
光疗法被认为是一种极具前途的非侵入性癌症治疗技术，通常包含直接光照疗法和光触发疗法。光动力疗法(PDT)是光疗法的一种，主要利用激发光照射激发光敏剂产生活性氧(ROS)来杀死癌细胞。传统的UV-Vis和近红外光在组织中具有有限的穿透性及较高的光学散射，在实体肿瘤中不能有效激活组织深处的光敏剂以获得良好的治疗疗效。
本团队将X射线激活长余辉发光纳米粒子与光敏剂相结合，构建了用于X-PDT的长余辉发光闪烁体复合探针。即使在关闭X射线后，探针内的长余辉发光也可以持续激活光敏剂，产生用于治疗的ROS。该方案在辐射剂量下（0.18 Gy）即可对肿瘤生长产生显著的抑制作用。此外，X射线发光激活的协同免疫治疗或药物释放，也被证明能够打破传统单一疗法深度依赖的限制，实现高效癌症治疗。
图8. X射线激活的长余辉纳米探针介导的持续PDT。
（2）X射线发光诱导气体疗法
气体疗法作为一种极具吸引力的技术，可以最大限度地减少对正常组织的损伤。本团队将X射线激活发长余辉纳米粒子与Au纳米棒和非晶TiO2相结合构建了复合纳米探针，该探针能够在深层病灶组织原位持续生成H2气体，以实现高效气体治疗与放疗协同癌症疗法。此外，在停止X射线辐射后，该探针还能够持续的释放H2，从而显著地增加病灶区域的H2浓度，以实现高效的气体治疗。该方案能够实现抗肿瘤气体治疗中时间、位置和剂量的精确控制，同时能够极大的减少放射治疗期间的炎症副作用。
图9. X射线激活的复合探针用于H2气体治疗与协同放疗。
4.3、X射线发光介导的光遗传神经调节
光遗传学是一种可以在时间、空间尺度上，通过刺激目标神经元中光敏视蛋白的表达来精确控制特定神经元活动的技术。由于深部脑组织对直接用于激活光敏蛋白的刺激光（如UV-Vis/NIR）具有强的组织吸收和散射效应，因此通常需要植入具有侵入性的外部光纤，以便将光子传递到大脑的目标区域。然而，外部光纤的植入通常会导致组织损伤、神经炎症、光毒性和热效应损伤（由于暴露于高强度激发光引起），同时极大限制动物的运动行为。
得益于X射线对颅骨的高穿透性，本团队利用X射线发光用于在小鼠大脑中实现无线光遗传神经调节，同时避免传统光纤的损伤。通过观察小鼠脑切片中c-Fos 标志物的活性依赖性上调表达，证明了X射线发光对皮质神经元的光遗传学调控的可行性。该方案为无创的、无线的光刺激深部脑神经元调控提供了一种有极具前景的工具。
图10. X射线发光激活皮质神经元的无线光遗传控制。
5、总结与展望：
本文系统的梳理了X射线发光技术在X射线成像、体内成像、生物传感、治疗学和光遗传学神经调节方面取得了快速发展，并总结了当前提高闪烁体发光效率的策略（表3）。然而，开发新一代X射线发光闪烁体以适用于各种应用，仍然面临着几个关键的挑战。
1） 纳米闪烁体的发光效率仍然需要进一步提高。这对于在医学成像和肿瘤治疗中减少辐射对正常组织的损伤具有重要意义。
2） 需要更高效表面修饰方案以提高闪烁纳米探针的生物相容性和水溶液中的亮度，并提供靶向性。这将有助于提高纳米探针的肿瘤靶向积累效率和体内代谢清除效率，并在生物医学应用中抑制正常组织的不良摄取。
3） 需要利用理论计算和实验相结合对纳米闪烁体的机理进行深入研究，以合理设计适合不同用途的高性能闪烁体材料。
6、参考文献：
(1) Chen, Q.; Wu, J.; Ou, X.; Huang, B.; Almutlaq, J.; Zhumekenov, A.; Guan, X.; Han, S.; Liang, L.; Yi, Z.; Li, J.; Xie, X.; Wang, Y.; Li, Y.; Fan, D.; Teh, D.; All, A.; Mohammed, O.; Bakr, O.; Wu, T.; Bettinelli, M.; Yang, Huang, H.; W.; Liu, X. All-Inorganic Perovskite Nanocrystal Scintillators. Nature 2018, 561, 88-93.
(2) Ou, X.; Qin, X.; Huang, B.; Zan, J.; Wu, Q.; Chen, Q.; Hong, Z.; Xie, L.; Bian, H.; Yi, Z.; Chen, X.; Wu, Y.; Song, X.; Li, J.; Yang, H.; Liu, X. High-resolution X-ray Luminescence Extension Imaging. Nature 2021, 590, 410-415.
(3) Wu, Y.; Su, L.; Yuan, M.; Chen, T.; Ye, J.; Jiang, Y.; Song, J.; Yang, H. In Vivo X-Ray Triggered Catalysis of H2 Generation for Cancer Synergistic Gas-Radiotherapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2021, 60, 12868-12875.
(4) Chen, Z.; Tsytsarev, V.; Finfrock, Y.; Antipova, O.; Cai, Z.; Arakawa, H.; Lischka, F.; Hooks, B.; Wilton, R.; Wang, D.; Liu, Y.; Gaitan, B.; Tao, Y.; Chen, Y.; Erzurumlu, R.; Yang, H.; Rozhkova, E. Wireless Optogenetic Modulation of Cortical Neurons Enabled by Radioluminescent Nanoparticles. ACS Nano 2021, 15, 5201−5208.
7、课题组介绍
杨黄浩，现任福州大学副校长，教授，博士生导师。2008年入选福建省“闽江学者”特聘教授，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，2015年入选全国先进工作者。杨黄浩教授在功能纳米材料、纳米生物传感与成像领域的理论研究和实际应用方面取得了系统性的创新成果。先后主持国家重点研发计划（首席）、国家重大科研仪器研制项目、国家基金重点项目、中央军委科技委项目、国家973计划课题、国家863计划课题。以通讯作者在包括Nature、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Advanced Materials等国际权威刊物上发表论文150余篇。
陈兆委，福州大学化学学院教授，浙江大学药学院兼职教授。主要研究方向为生命分析化学及化学生物学相关的基础研究与应用，包括仿生人工细胞、生物正交催化/生物催化、纳米医药（针对糖尿病、神经退行性疾病、癌症等疾病）、X射线光遗传学等。在Nature Nanotechnology、Nature Chemical Biology、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Advanced Materials等杂志上发表论文80余篇。
陈秋水，福州大学教授，博士生导师。近年来主要从事纳米晶闪烁体及发光成像分析的研究，在X射线成像技术领域取得了系列原创性科研成果。在Nature、Nature Photonics、Nature Communications、Angewandte Chemie、Advanced Materials等杂志上发表论文40余篇。研究成果被Nature、Nature Review Materials等杂志亮点评述。
原文链接
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.accounts.2c00517