中国科学院杭州医学所揭示小分子活体拉曼成像

拉曼光谱是一种通过检测分子的非弹性光散射，获取其分子振动和转动信息的光谱技术。作为荧光或其它成像方式的补充，拉曼光谱成像具有“指纹图谱”的高特异性、信号不易光漂白、易实现多重成像等优点，成为分析化学、材料科学和生物医学领域前景广阔的成像技术。但是，每1000万个入射光子中仅有1个会发生拉曼散射，因而小分子的自发拉曼成像信号是极微弱、难以检测的。

为增强信号，目前策略主要依赖于表面增强拉曼散射（SERS）技术，即通过在金、银等基底材料表面吸附拉曼小分子，使信号放大108-1011倍，以实现高灵敏成像。SERS技术自2006年用于活体成像以来获得了显著进展。然而，这些SERS基底材料存在生物安全性问题，成为长久以来制约拉曼光谱成像技术在活体生物医学应用及转化的瓶颈问题。

研究机制（中国科学院杭州医学所供图）

2024年8月21日，上海交通大学医学院肖泽宇教授、复旦大学陆伟教授、中国科学院杭州医学所方晓红教授团队合作，在Nature Biotechnology期刊在线发表了题为 “Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo” 的研究论文，揭示了一类特定结构的小分子，不需要依赖基底，仅通过自身的有序堆叠，实现在活体中的高灵敏拉曼成像，并提出一种新的拉曼散射增强机理－“堆叠诱导电荷转移增强拉曼散射（SICTERS）”。该研究为设计生物安全的高灵敏拉曼影像探针，并推进拉曼影像分析技术的活体生物医学应用提供了新思路。

为实现活体生物医学应用，研究团队进一步开发了SICTERS探针—临床可用的DSPE-PEG剂型包覆的BBT纳米粒（BBT NPs），该纳米剂型显著提升了BBT在体内系统循环时的稳定性。此外，研究人员制备了与BBT NPs尺寸相近的SERS探针—金纳米粒（Au NPs），并进行了拉曼散射增强能力的定量比较。研究表明，基于SICTERS技术的BBT NPs每个粒子的拉曼散射截面是基于SERS技术的Au NPs的1350倍。重要的是，基于SICTERS技术的BBT探针在组织脏器中的分布水平随时间推移显著降低，并经肝脏代谢粪便排出，血液学及组织学分析也展示了生物安全性；而SERS技术的金探针在肝脏等组织脏器中长期滞留，难代谢消除。

最后，研究团队探索该技术用于活体术中微小肿瘤成像、无创淋巴回流成像及微小血管成像等生物医学应用。结果表明，SICTERS探针能以最低1mg/kg的给药剂量（相比SERS探针4mg/kg）实现术中对微小肿瘤的高分辨成像，并指导切除，降低术后复发及转移。重要的是，SICTERS探针能够活体无创的对淋巴回流及微小血管（~11微米）进行高分辨拉曼成像，这是SERS探针难以实现的。（中国科学院杭州医学所）

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