用于深层组织光学成像、光疗和光活化的有机半导体材料的研究进展

生物光子学（biophotonics）是一个涉及生命科学、光学和工程学的跨领域交叉学科。随着光学技术的发展，在过去的十年间，生物光子学在现代医学中的地位日益显著。例如，生物光子学使人们能够准确地诊断早期病变组织、灵敏地检测和疾病相关的标记物，并精确地控制疾病治疗过程。生物光子学通常涉及光吸收和光转换，因此其应用离不开光学材料的参与。有机半导体材料（organic semiconducting materials, OSM）作为一种新兴的光学材料已经证明在生物光子学中具有潜在的应用价值。有机半导体材料可以认为是一类含有电子离域π共轭组分的具有光活性的小分子、聚合物或纳米颗粒。典型的有机半导体材料包括传统小分子染料、聚集诱导发射（AIE）分子/纳米颗粒和半导体聚合物纳米颗粒（semiconducting polymer nanoparticles, SPNs）。有机半导体材料的光物理性质主要由电子离域π共轭组分的化学结构和聚集态决定，因此可以通过合理的分子结构设计来调控其光物理性质，进而实现相应的生物光子学应用。

近日，新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院的浦侃裔（Pu Kanyi）教授研究团队对有机半导体材料在多种生物光子学方面的相关研究成果进行了总结，并对其应用前景做出展望。

作者从近红外二区荧光成像（NIR-II fluorescence imaging）、化学发光成像（chemiluminescence imaging）、分子余辉成像（molecular afterglow imaging）、光声成像（photoacoustic imaging）、癌症光疗（cancer phototherapy）和光控生物活性（biological photoactivation）六个方面进行归纳和介绍。首先，通过讨论有机半导体材料的分子或纳米颗粒设计原理，文章介绍了几种可行的方案以提高有机半导体造影剂的亮度，改善组织穿透深度，增强信噪比。目前，基于有机半导体材料的造影剂已应用于小动物模型中的不同组织（肿瘤、血管、脑、淋巴结等）的成像、生理指标（pH、乏氧环境）以及生物标记物（活性自由基、酶、谷胱甘肽等）的活体检测。其次，文章讨论了有机半导体纳米材料在癌症光疗（光热和光动力治疗）方面的应用前景，并分析了如何实现增强或联合的癌症光疗。此外，文章总结了有机半导体材料在远程调控生物活性方面的应用，例如温度响应型钙离子通道的开关、转基因系统的表达以及蛋白酶的活性。最后，该综述论述了现阶段有机半导体材料在生物光子学领域所面临的挑战和机遇，并讨论了相应的改进建议。

这一成果近期发表在Chemical Society Reviews上，并被评选为该期封面文章。

该论文作者为：Jingchao Li, Kanyi Pu

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Development of organic semiconducting materials for deep-tissue optical imaging, phototherapy and photoactivation

Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 38, DOI: 10.1039/C8CS00001H

浦侃裔博士简介

浦侃裔，现任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院副教授；2011年于新加坡国立大学获得博士学位，同年作为博士后加入斯坦福大学从事分子影像学研究，2015年6月以副教授受聘于南洋理工大学。

近年来，浦侃裔教授课题组致力于发展基于有机材料的光学诊断技术来实现对多种致命性疾病的机制探索、早期检测和终端治疗。该课题组融合了有机化学、光学、纳米技术和分子生物学，以此为基础针对性地设计合成有机光学探针。目前，该课题组已在癌症诊疗、皮肤病检测与药物毒性筛选中取得初步进展。例如，在2017年该课题组首次开创了基于可降解有机高分子纳米颗粒的分子余辉成像，并探索了其在疾病的早期诊断和治疗方面的潜在应用。该研究成果发表于国际顶级期刊Nature Biotechnology。另外，采用近红外荧光和光声等成像技术，该课题组实现了皮肤病、肝损伤以及肿瘤等疾病发展过程中相关生物标记物的活体检测，为疾病的早期诊断提供了有用信息。该团队的研究方向也涉及智能响应型纳米医药、光热调控离子通道、基因表达和蛋白活性等相关研究。自2015年6月成立至今，该团队已在国际主流期刊上发表高水平文章70多篇（包括Nature Biotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano 等）。至今，浦侃裔教授累计发表高档次文章120多篇，SCI H-index 为56。目前，浦侃裔博士担任ACS Applied Polymer Materials 副主编，Advanced Functional Materials、Bioconjugate Chemistry、ACS Applied Bio Materials、Advanced Biosystems 和ChemNanoMat 等期刊编委。

课题组主页：

http://www.ntu.edu.sg/home/kypu/index.html