南開大學丁丹教授課題組近年來工作概覽

副標題：新型分子影像探針的設計、製備與生物醫學應用

丁丹教授簡介

丁丹，南開大學生命科學學院生物活性材料教育部重點實驗室、藥物化學生物學國家重點實驗室教授、博士生導師。丁丹課題組的研究方向為新型分子影像探針的設計、製備與生物醫學應用。課題組主要基於“聚集誘導發光”（AIE）熒光分子等富含分子內運動單元的有機高分子，結合生物醫用高分子材料設計、製備新型分子影像探針，探索其在重大疾病診斷與治療以及疾病發生髮展機制研究等方面的生物醫用。丁丹於2005年本科畢業於南京大學化學系，2010年畢業於南京大學高分子系並獲得理學博士學位，師從蔣錫群教授。其後赴新加坡國立大學化學與生物分子工程系劉斌教授課題組從事博士後工作，在此期間在劉斌教授以及香港科技大學唐本忠院士兩位合作導師的指導下完成了AIE材料生物醫用領域的最早期探索。2013年進入南開大學任教，2014年10月起先後兩次赴香港科技大學唐本忠院士課題組從事訪問學者研究。2013年以來，丁丹入選了南開大學“百名青年學科帶頭人”等培養計劃，並獲得了國家自然科學基金委優秀青年科學基金項目的資助。

丁丹教授

2013年加入南開大學以來，基於AIE的基本原理，丁丹課題組設計製備了一系列新型的有機高分子光學材料，結合生物醫用高分子，發展了能夠用於熒光成像、光聲成像、以及長餘輝發光成像的分子/納米探針，實現了其在手術導航、幹細胞示蹤、疾病相關生物分子檢測、疾病體內診斷與治療等生物醫用。課題組的研究特色是以Jablonski光物理圖為指導方針，通過分子結構設計和生物體系內分子堆積的調控來實現生物醫學功能的可控性和最優化；探索激發態分子內運動與生物醫學功能和效果之間的內在聯繫；並且側重分子/納米探針對疾病微環境的特異響應性。以下選取丁丹教授團隊近5年來的相關文章來介紹其代表性成果。

丁丹教授課題組

（一）通過調控有機高分子光學材料的光物理性質來實現生物醫學功能的可控性與最優化

根據Jablonski diagram，分子吸收激發光能量後從基態躍遷到激發態，然後從激發態失活躍遷回基態主要可以分為三種途徑：一是“輻射躍遷”即躍遷的過程伴隨著光子的放出，產生熒光；二是“非輻射躍遷”即躍遷過程沒有光子的參與，激發能量以分子運動產生熱量等形式耗散掉（可用於光聲成像和光熱治療）；三是從激發單重態通過隙間穿越到達激發三重態，處於激發三重態的分子以輻射躍遷的形式釋放出磷光，或者將能量轉移給環境中的氧分子，通過光氧化反應產生單線態氧等有毒性的活性氧簇（ROS）。因此，對於同一種光學成像材料，因為其所吸收的光能是固定的，這三種能量耗散途徑通常是相互影響，相互競爭的。特別是第一種與第二種途徑，幾乎是對立的。基於此，課題組通過分子結構設計和分子堆積調控成功實現了光物理性質的可控性（圖1，圖2），使得能夠根據生物醫用需求通過某一種或兩種途徑耗散出來，從而實現了最優化的疾病診斷與治療（

Nano Lett., 2019, 19, 318; Nat. Commun., 2018, 9, 1848; Adv. Mater., 2018, 30, 1801065; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 4945; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1707140; ACS Nano, 2017, 11, 7177; Adv. Mater., 2016, 28, 7249; Anal. Chem., 2016, 88, 3872; ACS Nano, 2014, 8, 1475）。

熒光成像具有高靈敏度的優點，但是其體內成像的組織穿透深度只能達到毫米級別。另一方面，光聲成像突破了傳統光學成像的穿透深度極限，能夠提供疾病部位的深層次三維信息。因此，光聲成像和熒光成像這兩種光學成像模式是優勢互補的。將光聲成像和熒光成像各自的優勢應用於腫瘤切除手術導航無疑將為外科醫生提供重要的信息。基於此，丁丹教授課題組設計製備了一種新型的功能可轉變的有機分子，該分子由光控單元二噻吩基乙烯、AIE基元以及吸電子基團組成。通過簡單的外部光照，可以調控分子內二噻吩基乙烯單元的開環與關環，從而使分子吸收的光能能夠根據生物醫用的需求最大限度地集中用於光聲成像、或者熒光成像、或者熒光成像+光動力治療，實現一個分子多個功能，各個功能之間能夠人為可控地進行轉變，並且每一個功能都能夠實現最大化的功效（圖1）。他們將該分子與兩親性生物醫用高分子結合，首先製備成具有光聲成像功能的納米探針，然後通過尾靜脈將其注射入荷瘤小鼠體內。通過時間依賴的光聲成像，能夠判斷出荷瘤小鼠體內的腫瘤組織大小、個數與深度。然後進行外科手術，在醫生切除了腫塊後，採用610納米的紅光照射切口部位。如果醫生沒有完全切除腫瘤組織，還有殘餘腫瘤組織的存在，殘餘腫瘤組織中的光聲探針就能夠在610納米紅光的照射下轉變成為熒光探針。利用熒光成像高靈敏度的優點，外科醫生能夠靈敏地通過點亮的熒光檢測到是否有殘餘腫瘤組織的存在，從而有助於外科醫生切除全部的腫瘤組織（

Nat. Commun., 2018, 9, 1848）。

圖1. Jablonski diagram。根據生物醫用的需求調控光物理能量天平的傾斜，從而實現不同的功能以及每個功能最大化的功效。圖片源自：

Nat. Commun., 2018, 9, 1848

圖2. AIE分子“螺旋槳”分子結構及富含分子內運動單元的性質是提高金剛烷-二氧雜化丁烷類材料長餘輝發光強度與時間的關鍵因素。圖片源自

Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03936

（二）基於AIE的基本原理，實現含有“分子內運動單元”的有機高分子材料的生物醫用

基於AIE的基本原理，丁丹教授課題組設計製備了一系列新型的有機高分子光學材料，結合生物醫用高分子，發展了能夠用於熒光成像、光聲成像、以及長餘輝發光成像的分子/納米探針，實現了其在手術導航、幹細胞示蹤、疾病相關生物分子檢測、疾病體內診斷與治療等生物醫用（Biomaterials, 2019, 188, 107; Adv. Mater., 2017, 29, 1606167; ACS Nano, 2017, 11, 8998; Biomaterials, 2017, 143, 109; Chem. Sci.

, 2017, 8, 2191; Chem. Sci., 2017, 8, 2782; Small, 2017, 13, 1602807; Small, 2017, 13, 1604139; Adv. Sci., 2017, 4, 1700310; Chem. Sci., 2016, 7, 5118; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 4263; Mater. Horiz., 2015, 2, 100; ACS Nano, 2014

, 8, 12620）。

放射治療是治療肺癌、結直腸癌、食道癌等癌症的一線治療手段。尤其是對於無法切除的腫瘤，放射治療更是主要的控制腫瘤生長的方法。但是，由於腫瘤細胞對放射射線產生的耐受性常常導致放射治療的失敗。因此，放療增敏劑的開發成為了癌症放療領域的研究熱點與難點。評價放療增敏劑增敏效果的重要指標是SER10（sensitizer enhancement ratio at 10% cell survival）值，其值越高說明放療增敏劑對腫瘤細胞的增敏能力越強。目前最常用的放療增敏劑有化療藥物例如紫杉醇，順鉑等。然而，放療聯合化療藥物治療經常導致毒副作用過大，使患者難以承受。最近，許多研究者將興趣聚焦在無毒副作用的金納米粒子上，其獨特的放療增敏機制使其成為非常有前景的放療增敏劑。然而，無論是臨床化療藥物，還是金納米粒子，它們的放療增敏效果仍有很大的提升空間。因此，尋求更加卓越的放療增敏劑仍迫在眉睫。針對這一問題，丁丹教授課題組設計了一種基於AIE性質的具有線粒體靶向能力的放療增敏劑（命名為DPA-SCP）。DPA-SCP能夠有效地靶向腫瘤細胞的線粒體，開啟紅色熒光，並且在白光照射下在線粒體內產生單線態氧。通過優化條件，例如調節白光功率和照射時間等，DPA-SCP在線粒體中產生的單線態氧對腫瘤細胞本身並沒有實質性的殺傷作用，但是一旦與放射治療聯手，便能夠發揮出遠遠優於化療藥物和金納米粒子的協同治療效果。細胞克隆實驗表明，DPA-SCP對肺癌A549細胞放療增敏的SER10值高達1.62。在相同實驗條件下，金納米粒子的SER10值為1.19, 化療藥物紫杉醇的SER10值為1.32， 證明了DPA-SCP出眾的放療增敏效果。為了進一步探究其機制，他們分析了肺癌細胞中凋亡存活通路中關鍵蛋白水平的變化。通過實驗發現，將DPA-SCP光照處理後再進行放射治療的實驗組，其PI3k/Akt和MAPK兩條促存活通路蛋白p-Akt 和 p-ERK都有所降低，而相應的凋亡通路蛋白Bax、Bad和Caspase-3等水平都明顯上調。結果表明DPA-SCP光照產生的單線態氧與放射治療在腫瘤治療當中具有很好的協同效果。該實驗結果與細胞克隆實驗相互驗證，從機理上進一步做出了闡釋（圖3）（

Adv. Mater., 2017, 29, 1606167）。

圖3. 靶向線粒體的AIE分子能夠有效實現放療增敏，其放療增敏效果優於紫杉醇和金納米粒子。圖片源自：Adv. Mater.

, 2017, 29, 1606167

功能細胞特別是內皮細胞的體內示蹤一直是細胞治療領域的一個重要的科學問題。目前，文獻中報道的功能細胞示蹤策略有兩類，一類是採用報告基因標記，另一類是採用外源性標記探針標記。報告基因標記功能細胞的方法儘管準確、靈敏，但是需要複雜的細胞轉染操作，並且臨床使用的可行性低；另一方面，目前幾乎沒有外源性探針被證明能夠長期準確地報告內皮細胞的體內命運以及報告內皮細胞是如何貢獻於再生治療的。基於此，丁丹教授課題組製備了一系列基於有機高分子材料的納米探針並將其應用於內皮細胞示蹤以及幹細胞示蹤的研究中。例如，合成的近紅外發光的納米探針在水中的熒光量子產率可高達47%。將該納米探針應用於內皮細胞的體內示蹤中。首先將納米探針在體外標記內皮細胞，然後將標記後的內皮細胞通過尾靜脈或股動脈注射入患有下肢缺血疾病的小鼠中，可以通過熒光成像清晰地觀察到內皮細胞隨著時間在下肢缺血疾病部位的歸巢。通過納米探針的標記，他們還能夠清楚地觀察到內皮細胞在疾病部位形成了新生血管，並以此方式來治療下肢缺血（圖4）。此外，由於所製備的納米探針在近紅外區域具有很高的亮度，其最少能夠準確示蹤通過股動脈注射的2000個內皮細胞。在相同實驗條件下，Qtracker655和PKH26無法示蹤這麼少的細胞。這一結果證實了所製備的納米探針在細胞體內示蹤方面的優越性（

Biomaterials, 2017, 143, 109）。

圖4. 近紅外發射的有機高分子納米探針能夠在下肢缺血疾病小鼠體內長期、準確示蹤內皮細胞的命運和功能。圖片源自：

Biomaterials, 2017, 143, 109

以上為丁丹教授課題組近年來具有代表性的工作成果，其它更多具體詳細的信息請參考該課題組的網站：http://www.dinglab.net 或發送郵件至[email protected]進一步討論。此外，該課題組歡迎有志於科研，並對其研究方向感興趣的同學聯繫報考碩士/博士以及博士後崗位。

導師介紹

丁丹

https://www.x-mol.com/university/faculty/38300