乏氧光学影像探针的设计与应用

doi:10.7503/cjcu20220558

摘要/Abstract

摘要：

氧气在生命活动中具有重要意义, 为需氧生物提供了重要的能量来源, 氧气供应不足会导致组织乏氧. 乏氧往往与炎症、慢性伤口及肿瘤等多种疾病密切相关, 而组织氧浓度是评估机体健康的重要依据. 光学成像在空间分辨率、灵敏性和成本方面的巨大优势使其成为炎症、癌症、脑部疾病和手术导航的重要影像诊断工具. 本文介绍了数种乏氧响应的光学探针的合成策略, 并展示了不同的乏氧光学探针在肿瘤检测、炎症监测、伤口氧含量监测、治疗响应监测和食品包装检测等方面的应用, 最后探讨了乏氧光学成像的应用前景.

关键词: 乏氧, 磷光探针, 荧光探针

Abstract:

Oxygen plays an important role in life activities and provides an important source of energy for aerobic organisms. Insufficient oxygen supply will lead to tissue hypoxia. Hypoxia is often closely related to inflammation， chronic wounds， tumors and other diseases， and tissue oxygen concentration is also an important basis for evaluating body health. The enormous advantages of optical imaging in terms of spatial resolution， sensitivity and cost-effectiveness make it an important imaging diagnostic tool for inflammation， cancer， brain diseases， and surgical navigation. In this review， we introduce the synthesis strategies of several hypoxia-responsive optical probes and illustrate the applications of different hypoxia optical probes in tumor detection， inflammation monitoring， wound oxygen content imaging， treatment response monitoring and food packaging. Finally， we discussed the application prospect of hypoxia optical imaging.

Key words: Hypoxia, Phosphorescent probe, Fluorescence probe

中图分类号:

O632

TrendMD:

李成, 周森森, 蒋锡群. 乏氧光学影像探针的设计与应用. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220558.

LI Cheng, ZHOU Sensen, JIANG Xiqun. Design and Applications of Hypoxia Optical Probes. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220558.

图/表 6

Fig.1 Design of the fluorescence probes under hypoxia condition（A） Design of the hypoxia fluorescence probe；（B） the on-off mechanism of some hypoxia fluorescent probe；（C） the reduction of nitro groups to amino groups by nitroreductase under hypoxia conditions， under hypoxic conditions， the quinone group is reduced to hydroquinone and produces fluoresce；（D） the azo bond is broken to release the fluorescent molecules in the presence of azoreductase.

Fig.2 Design of the hypoxia phosphorescence probes（A） Successive responses of the macromolecular probe to acidity and hypoxia［8］. Copyright 2017， Springer Nature. （B） Organic room temperature hypoxic phosphorescence probes［43］. Copyright 2009， Springer Nature.

Fig.3 Metastatic tumor detection with hypoxia probe（A） Hypoxia-based detection of lymph node metastasis of 4T1 cell lines with Ir complex-based macromolecular probe［48］. Copyright 2015， Wiley-VCH. （B） Ex vivo imaging of dissected organs after injection with the probe and the black-and-white contrast image of the ex vivo liver tissue［8］. Copyright 2017， Springer Nature.

Fig.4 Polyurethane film composited with phosphorescent probe Ir⁃btp can real⁃time monitor wound inflammation in mice[9]（A） Illustration of the integrated PU film with the Ir-btp probe；（B） photos of the festering（left） and the PU film applied wound（right）；（C） in vivo near-infrared imaging of a wound with the PU film；（D） quantitative analysis of the part in （C）. Copyright 2019， American Chemical Society.

Fig.5 Optical wireless wearable prototype for transcutaneous oxygen monitoring[68]（A） Illustration of the wireless wearable prototype based on the phosphorescence intensity of an oxygen-sensing film；（B） oxygen-sensing film exhibiting bright phosphorescence at atmospheric pO2；（C） comparison of two estimates of pO2 measured by the device with a commercial reference sensor. Copyright 2021， IEEE.

Fig.6 Real time monitoring the oxygen level during therapy（A） In vivo monitoring the hypoxia level of the tumors after different treatment through NIR imaging with multifunctional nanoparticle［70］. Copyright 2020， American Chemical Society. （B） Whole-body fluorescence imaging of mice bearing subcutaneously 4T1 tumors with i.t. injection of tumor hypoxia fluorescence probe Ir-PVP［71］. Copyright 2015， Wiley‐VCH.

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