超亮近红外荧光DNA框架用于近单细胞癌症成像

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近红外二区超亮DNA框架用于近单细胞癌症成像的研究报告

作者及机构

本研究的通讯作者为Chunhai Fan（上海交通大学）、Ying Zhu（上海大学）和已故的Chunchang Zhao（华东理工大学）。其他主要作者包括Xia Liu、Ben Shi、Yue Gao等，合作单位涵盖上海大学、华东理工大学、中国科学院上海应用物理研究所、以色列希伯来大学等。研究成果发表于Nature Photonics期刊2025年1月刊（Volume 19, Pages 79–88），DOI号为10.1038/s41566-024-01543-7。

学术背景

研究领域为生物医学成像与DNA纳米技术。当前，癌症早期诊断和手术导航面临的核心挑战是如何实现高灵敏度、深组织穿透和肿瘤特异性的多模态成像。传统成像技术（如X射线计算机断层扫描、正电子发射断层扫描）在分辨率和穿透深度之间存在权衡，而近红外二区（NIR-II, 1000–1700 nm）荧光成像因组织自发荧光低、光子散射少，显示出优越的穿透能力（毫米至厘米级）。然而，现有NIR-II探针（如量子点、碳纳米管）存在生物相容性差、难以降解的问题，而小分子有机荧光染料又面临水溶性差和光稳定性不足的瓶颈。

本研究旨在开发一种基于**DNA框架（DNA framework）**的新型荧光探针，通过非共价封装疏水性NIR-Ib染料（900–1000 nm），实现近单细胞水平的肿瘤靶向成像，并应用于转移灶的手术导航。

研究流程与实验方法

NIR-Ib染料SQ964的设计与合成
- 以方酸（squaric acid）为电子受体（A），1,8-萘内酰胺衍生物为电子给体（D），合成D-A-D结构的SQ964染料。该染料在二甲基亚砜（DMSO）中最大吸收/发射波长为915/964 nm，但水溶液中因聚集导致荧光猝灭。
DNA框架的构建与优化
- 设计三种不同尺寸/形状的DNA框架：小四面体（边长20 bp，约6.7 nm）、立方体（20 bp）和大四面体（37 bp，约12.3 nm），通过热退火单链DNA自组装而成。原子力显微镜（AFM）验证其形貌和尺寸分布。
- 通过细胞摄取实验筛选最优框架：小四面体在血清培养基中稳定性最高，且被小鼠乳腺癌细胞（4T1）内吞效率显著高于其他结构（p<0.01）。
荧光DNA框架点（FDF dots）的制备与表征
- 将SQ964按100:1摩尔比封装至DNA框架的疏水空腔中，通过超滤去除游离染料。AFM和凝胶电泳证实封装后结构完整性。
- 光学性能测试显示，FDF dots在缓冲液中发射NIR-II尾波信号（~1000–1700 nm），亮度较游离染料提高54倍，光稳定性优于临床试剂吲哚菁绿（ICG），在808 nm激光照射下2小时内荧光无衰减。
体外与体内成像验证
- 细胞标记：FDF dots标记的4T1细胞在NIR-II显微镜下显示高信噪比，荧光信号可稳定传递至子代细胞（10代以上）。
- 小鼠模型：
  - 原位肿瘤：注射40个标记细胞即可在体内检测到信号，肿瘤/正常组织信号比（T/N）达26。
  - 转移瘤：静脉注射标记细胞后72小时，NIR-II成像清晰显示肺转移灶（最小53 μm，约20个细胞），T/N比达8.6，显著高于文献报道值（平均2.1）。
手术导航应用
- 在乳腺癌转移模型中，FDF dots引导的手术完全切除了肉眼不可见的微转移灶，病理切片证实切缘无残留。

主要结果与逻辑关联

DNA框架的尺寸依赖性：小四面体因最佳稳定性与内吞效率被选为载体，其疏水空腔实现了染料的定量封装（每个框架约3个SQ964分子），解决了染料水溶性难题。
NIR-II性能提升：封装后染料的荧光量子产率提高，且FDF dots在1 cm深度组织仿体中信号背景比（SBR）达50.2，是ICG的8.8倍。
肿瘤靶向机制：DNA框架的形状依赖性积累使其在肿瘤细胞中滞留时间延长（>11天），为长期监测提供可能。

结论与价值

科学价值：
- 提出了一种普适性策略，通过DNA框架非共价封装疏水染料，克服了有机荧光探针的生物相容性与性能矛盾。
- 首次实现NIR-II成像对单细胞级别肿瘤的长期追踪（11天）和微转移灶（53 μm）的精准切除。
应用价值：
- 为癌症早期诊断、术中导航和疗效评估提供了高灵敏度工具，尤其适用于微小转移灶的检测。
- DNA框架的可编程性允许进一步整合靶向模块（如适配体），扩展至其他疾病模型。

研究亮点

方法创新：将DNA纳米技术的精确性与NIR-II成像结合，开发出兼具生物可降解性和超高亮度的探针。
性能突破：灵敏度达40个细胞，穿透深度1 cm，T/N比26，均为NIR-II探针的当前最高水平。
跨学科融合：化学（染料设计）、生物工程（DNA框架）与临床医学（手术导航）的协同创新。

其他发现

FDF dots可封装8种不同结构的疏水染料（如P2、TTQ-TF），验证了平台的普适性。
细胞毒性实验表明，FDF dots对细胞增殖、活性氧水平和乳酸脱氢酶泄漏无显著影响，生物安全性优异。

此报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与意义，突出了其在癌症诊疗领域的突破性贡献。

文献信息

超亮近红外荧光DNA框架用于近单细胞癌症成像