中國科學(xué)院精密測量院基于弛豫調(diào)控實現(xiàn)高靈敏19F MRI-FLI分子成像
近日，精密測量院研究團隊在雙模態(tài)分子影像領(lǐng)域取得突破，通過弛豫調(diào)控策略開發(fā)了一種高靈敏度的19F MRI-FLI雙模態(tài)造影劑，在微摩爾分子濃度下實現(xiàn)了酸-堿響應(yīng)性氟-19磁共振-熒光雙模態(tài)成像(19F MRI-FLI)，為開發(fā)兼具高靈敏度和刺激響應(yīng)性的雙模態(tài)造影劑提供了新策略。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在化學(xué)類綜合性期刊《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society)上。 
基于氟化四苯乙烯[5]輪烷的響應(yīng)性19F MRI-FLI雙模態(tài)造影劑
雙模態(tài)成像通過優(yōu)勢互補能為生物醫(yī)學(xué)研究提供更精準(zhǔn)、全面的影像信息。例如，F(xiàn)LI適合提供細(xì)胞和淺表組織的高靈敏影像，19F MRI適合提供深層組織的量化“熱點”影像，而FLI-19F MRI雙模態(tài)成像能提供從細(xì)胞到整體動物的全面精準(zhǔn)信息，在疾病的機制與診斷、藥物的追蹤與療效監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，19F MRI的靈敏度比FLI低1000倍以上，難以實現(xiàn)同一造影分子的雙模態(tài)成像和精準(zhǔn)信息整合。
針對19F MRI靈敏度低的難題，團隊巧妙利用輪烷的機械鍵，高效對稱地整合4個氟化冠醚(輪)，構(gòu)建了由144個磁等價氟原子組成的超強19F MRI信號源；同時，利用輪烷的互鎖結(jié)構(gòu)調(diào)控氟原子的弛豫時間，實現(xiàn)了信號的快速采集。這些策略有效彌合了輪烷體系中19F MRI與FLI間的靈敏度差異，在微摩爾濃度下實現(xiàn)了雙模態(tài)成像。此外，四苯乙烯因運動受限觸發(fā)了聚集誘導(dǎo)熒光(AIE)效應(yīng)，利用“輪-軸”間pH響應(yīng)性的氫鍵生成和斷裂，實現(xiàn)了與“輪的駐停-穿梭”同步的FLI增強和削弱。
通過系統(tǒng)對比[5]輪烷形成前后及其“駐停-穿梭”狀態(tài)的核磁與熒光信號變化和分子動力學(xué)計算，研究團隊發(fā)現(xiàn)[5]輪烷R5F結(jié)構(gòu)中4個氟化冠醚(輪)均以“C”型構(gòu)象串在四苯乙烯母核(軸)上，此時“輪-軸”間的氫鍵和位阻效應(yīng)、苯環(huán)間的π-π作用以及含氟基團間的氟碳相作用共同限制了氟原子和四苯乙烯的運動，顯著增強了19F MRI和FLI信號，實現(xiàn)了16 μM分子濃度下的快速19F MRI和pH響應(yīng)性FLI。該研究不僅發(fā)展了目前靈敏度最高的19F MRI-FLI雙模態(tài)造影分子，也為輪烷類分子機器的動力學(xué)研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了全新視角。
[5]輪烷氫鍵斷裂導(dǎo)致的構(gòu)象變化(a)；R5F的19F NMR(b)；輪WF、[5]輪烷R5F及R’5F的19F弛豫時間(T1和T2，c)和對應(yīng)19F MRI(d)；R5F的pH響應(yīng)FLI(e)
該研究成果以“Mechanical Interlocking of 144 Symmetrical19F and Tetraphenylethylene for Magnetic Resonance-Fluorescence Dual Imaging”為題發(fā)表在化學(xué)類綜合性期刊《美國化學(xué)會志》上。精密測量院博士生楊蘭、博士后王方和副研究員李昱為文章共同第一作者，研究員江中興和陳世楨為通訊作者。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項和中國科學(xué)院青年交叉團隊項目的資助。
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