硒化铁量子点用于体内多光子生物医学成像

 
一锅合成水溶性FeSe QD的理化特性。 (A)GSH封端的FeSe量子点一锅合成程序的示意图，(B)明场TEM图像(插图：尺寸分布的直方图)，(C)高分辨率TEM图像，(D)快速傅里叶高分辨率TEM图像的变换，(E)GIXRD模式，(F)FTIR光谱和(G)FeSe QD的Zeta电位。 a.u.，任意单位。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0044具有高生物相容性，量子产率和多光子吸收性能的光致发光探针在生物医学成像中引起了极大的兴趣，有望实现更高的穿透深度和空间分辨率。根据J. Kwon和韩国化学，生物材料科学和Cogno-Mechantronics工程学跨学科部门的一组研究人员在《科学进展》上发表的新报告，报道了硒化铁(FeSe)量子点(QD)符合这些标准。和中国。量子点是具有相对于其结构和组成的独特化学和物理性质的纳米级发光半导体晶体。
本研究中的合成QD可以在800和1800 nm波长处显示两光子和三光子激发特性，并且第二窗口成像具有很高的量子产率(40%)。这些材料也具有生物相容性，并由Kwon等人验证。当他们将聚(乙二醇)共轭的量子点与人表皮生长因子受体2(HER2)抗体连接起来进行体外和体内双光子成像时。科学家使用非线性飞秒激光在800 nm的激发波长下成功地成像了距皮肤表面最深500 µm的表面。这些发现可以为在疾病诊断过程中使用生物相容的FeSe QD进行多光子组织成像开辟新途径。
过渡金属硫族化物在纳米科学的一系列研究领域中具有吸引力，其应用领域包括磁性半导体，超导体，光伏，电催化剂，传感器和量子点。层状铁基材料有望成为具有低毒性和低成本以及超导转变温度高的超导体候选材料。当硫属元素铁的尺寸减小到零时，它们可以成为荧光纳米半导体。这些具有与生物成像和太阳能转换相关的独特的光电特性。与常规有机染料相比，由于纳米晶体在吸收和发射光谱过程中具有很高的光稳定性和可调谐性，因此用半导体纳米晶体进行荧光生物医学成像是一种很有前途的检测技术。量子点还可以表现出多光子激发的光致发光(PL)，其中发光体可以通过虚拟状态同时吸收两个以上的光子以发出可见光。
抗HER2-PEG-QDs(20μgml-1)处理后，HER2过表达的MCF7细胞(阳性对照)的体外双光子显微图像。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0044该现象可允许更大的穿透深度，以减少组织的自发荧光和散射，并有利于癌症手术期间的原位生物医学荧光成像。因此，科学家将多光子显微镜(MPM)视为一种非侵入性的体内深层组织成像工具。在本研究中，Kwon等人。之前的工作激发了使用铁(Fe)和硒(Se)元素合成具有两和三光子发光特性的生物相容性量子点的动力。通常，两种(Fe和Se的前体)自然存在于人体中，并且以纳米颗粒形式表现出低毒性。研究团队使用人源化单克隆HER2(人表皮生长因子受体2)抗体-缀合的硒化铁(FeSe)量子点(抗HER2-QDs)测试了体外肿瘤细胞靶向特异性。对于体外实验，他们使用了乳腺癌细胞系的HER2过表达的MCF-7(密歇根州癌症基金会)异种移植模型(来自不同供体的移植物)。然后，他们在人乳腺肿瘤的活异种移植模型中进行了体内MPM(多光子显微镜)成像。
为了开发水溶性FeSe量子点，科学家使用了一锅合成策略。他们形成了尺寸约为3.4±0.3 nm的QD，并使用明场透射电子显微镜(TEM)对其进行了观察。他们使用高分辨率TEM和QD的电子衍射图样，观察了四方FeSe的平面。科学家使用掠入射X射线衍射光谱仪(GIXRD)和X射线光电子能谱进行结构分析，以精确证明FeSe量子点的形貌。 Zeta电势测试表明，FeSe量子点溶解在去离子水，0.01 M以及0.1 M磷酸盐缓冲液(PBS)盐水中。当权等人。五天后使用数码相机和荧光显微镜对它们进行了监测，这些量子点没有聚集或荧光不同。 FeSe QD的带隙从紫外到可见(UV-Vis)光谱大约为2.44 eV。
FeSe QD的光学表征。 (A)FeSe QD在380 nm激发波长下的PL寿命(τ);插图：白光和紫外灯(λex= 365 nm)下FeSe分散体的数字图像。归一化PL激发(PLE)光谱(黑线)和PL光谱(红线)在440nm的λem和1PL的(B)365nm，2PL的(C)800 nm和3PL的(D)1080nm的λex 。 (E)2PL(黑色正方形)和3PL(红色正方形)的PL强度与功率的关系。功率相关函数的斜率对于2PL和3PL分别为1.98和3.08。 (F)单，二和三光子发光的Jablonski图。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0044 Kwon等。探索了FeSe QD在25摄氏度下的光致发光(PL)特性，观察到3.23纳秒(ns)的寿命。他们注意到两光子(2PL)和三光子(3PL)激发的PL，然后是用2PL和3PL的FeSe QD染色的MCF27细胞的代表性荧光显微图像。这种多光子激发特性对于在脑组织成像过程中在“金窗”内观察到的具有更长波长的生物成像(可穿透最大组织深度且具有降低的光毒性)而言尤为显着。
在将FeSe QD应用于生物成像实验之前，研究团队首先测试了QD对细胞活力的影响。他们使用了在不同的培养时间下用不同浓度的FeSe QDs培养的不同细胞系，并在7天时观察到了出色的生存力，细胞生存力> 75%。利用细胞培养物的荧光显微图像，Kwon等人。记录了FeSe QDs的优异生物相容性，其中量子点不干扰细胞生长。为了进一步最小化组装过程中的非特异性结合，科学家将FeSe QD与聚乙二醇(PEG)封装在一起，然后与HER2抗体缀合以开发抗HER2-PEG-QD。
靶向乳腺肿瘤的FeSe QD的体外和体内双光子显微成像。流式细胞仪评估暴露于QD的(A)AGS，(B)MG-63和(C)NCI-H460细胞在各种浓度(0、25、50和70μgml-1)下的活力3， 5、7天。 (D)制备抗HER2-PEG-QD的结合程序。 (E)MCF7和HER2过表达的MCF7细胞(MCF7 / HER2)的体外双光子显微镜成像，涂有PEG涂层的FeSe QD或抗HER2缀合的PEG-QD(抗HER2–PEG-QD，2μg) ml-1)，其中细胞核用碘化丙啶染色，细胞膜和细胞核在800nm和500nm的λex下成像。焦平面处的激光功率= 40 mW。 (F)在双光子激发(λex= 800 nm，激光功率= 50 mW)下在去离子水中QDs和若丹明6G(Rh6G)的光稳定性的比较，其中相对PL强度监测30分钟。 (G)用于体内成像的肿瘤异种移植物的数字照片。 (H)MPM系统。 CH PMT，通道光电倍增管; OPO，光学参量振荡器。 (I)抗HER2–QD注射前后的体内MPM图像，以及(J)不同焦深(450至500μm)的体内MPM图像。比例尺，20μm。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0044。该小组测试了在通过碘化丙锭染色靶向人乳腺癌细胞过程中结合物的非特异性摄取和选择性。抗HER2-PEG-QD特异性靶向HER2受体，表明在体内将PEG化的QD用作成像剂的潜力。生理上稳定的分子在血清和各种缓冲液中维持其光学特性达7天。 FeSe QD在双光
该研究为乳腺癌的诊断提供了新的视角。乳腺癌是女性死于癌症的第二高原因，其复发率很高，在这种情况下，借助传感和成像技术进行的微创手术对于识别该疾病至关重要。研究小组建立了一种体内MPM(多光子显微镜)成像方法，通过在MCF异种移植动物模型中静脉注射抗HER2-PEG-QDs。然后，他们通过将MCF7细胞和MCF / HER2细胞注射到小鼠腹侧面，建立了乳腺癌的皮下异种移植小鼠模型。四周后，当肿瘤体积达到200 mm3时，科学家注射了100 µL抗-HER2-PEG-QD，并观察到FeSe QD为洋红色信号。然后他们以规则的间隔在整个肿瘤区域的不同深度获得了2PL信号。二次谐波产生(SHG)信号显示为蓝色，代表浅表区域的胶原蛋白，科学家们将PL信号与乳腺癌细胞附近的QD区分开来。
静脉注射抗HER2-PEG-QDs尾静脉后30分钟，通过将激发焦平面从皮肤上的450 µm移至525 µm(5 µm)，获得了癌部位的体内双光子显微图像(Z扫描)步长(λex= 800 nm，功率= 100 mW)。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aay0044这样，J。Kwon及其同事合成了在高QD浓度下具有强大细胞活力的生物相容FeSe QD。该团队在两光子和三光子荧光成像以及多光子成像(最大深度为500 µm)中使用了量子点，以非线性飞秒激光在活体动物体内监测肿瘤细胞。生物相容性的FeSe量子点和多光子成像相结合，可以为在活体受试者中实现非侵入性原位生物成像开辟一种新方法。