短鏈膦配體調(diào)控Ag₂Se量子點實現(xiàn)全NIR-II轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的自校準(zhǔn)識別

本文要點：近紅外二區(qū)（NIR-II）比率熒光成像在精準(zhǔn)識別轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（MLNs）方面具有巨大潛力，但其生物相容性探針設(shè)計仍面臨組成簡化與光譜可調(diào)性廣泛的挑戰(zhàn)。本研究開發(fā)了一種基于同源Ag₂Se量子點（QDs）的極簡自校準(zhǔn)比率探針。通過合理設(shè)計三丁基膦介導(dǎo)的配位動力學(xué)，實現(xiàn)了935–1710 nm范圍內(nèi)連續(xù)的尺寸依賴性發(fā)射調(diào)控，并系統(tǒng)闡明了合成機(jī)制與結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系。低毒性的Ag₂Se核心結(jié)合聚（氨基酸）包覆，確保了優(yōu)異的生物安全性，經(jīng)體外細(xì)胞毒性與體內(nèi)生化檢測驗證。兩種光譜差異顯著的量子點（發(fā)射峰分別為1040 nm和1305 nm，半高寬為176 nm和119 nm）可實現(xiàn)多路解剖成像，支持術(shù)中實時檢測與術(shù)后評估MLNs，診斷閾值比率約為0.9。本工作提出了一種可擴(kuò)展的全NIR-II單色量子點合成策略，并建立了一種組分極簡的生物相容性平臺，用于精準(zhǔn)比率診斷。

方案1. 調(diào)整Ag2Se量子點中的NIR-II覆蓋率，用于MLN的比率檢測

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本研究通過用短鏈三丁基膦（TBP）替代傳統(tǒng)TOP，理性重構(gòu)了Ag₂Se量子點（QDs）的合成體系，TBP具有更低的空間位阻和更強(qiáng)的Ag⁺配位能力，協(xié)同OT動態(tài)調(diào)控生長動力學(xué)。通過系統(tǒng)優(yōu)化反應(yīng)溫度、TBP/Ag比例及Se/Ag化學(xué)計量比，闡明了反應(yīng)的尺寸調(diào)控機(jī)制，實現(xiàn)了全NIR-II光譜覆蓋（935–1710 nm，方案1A）。隨后，選取了兩組光譜分離良好的Ag₂Se QDs，其發(fā)射峰分別位于1040 nm（S-QD，半高寬=176 nm）和1305 nm（L-QD，半高寬=119 nm），成功實現(xiàn)了血管-淋巴管、血管-胃腸道及單純淋巴結(jié)構(gòu)的活體雙色成像。進(jìn)一步將S-QD功能化修飾葉酸靶向基團(tuán)，并與非靶向L-QD整合，構(gòu)建了同源比率探針用于精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（MLNs）檢測，其診斷閾值低于1（方案1B）。本研究為精準(zhǔn)調(diào)控單波長發(fā)射Ag₂Se QDs提供了指導(dǎo)，建立了跨量子點體系的光譜調(diào)控框架，拓展了其在MLNs檢測中的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，推動了組分極簡、高安全性、高性能比率探針的發(fā)展。

圖1. 不同Ag2Se量子點發(fā)射的調(diào)控和表征

考慮Ag₂Se量子點的尺寸依賴特性，可通過調(diào)控其尺寸擴(kuò)展發(fā)射范圍。在經(jīng)典合成方法中，通常通過控制反應(yīng)溫度及Se-TOP復(fù)合物與乙酸銀的摩爾比來實現(xiàn)。然而，叔膦（PR₃，如TOP）的作用常被低估。近期研究表明，PR₃可與Ag⁺配位形成Ag-(PR₃)ₓ絡(luò)合物，其配位強(qiáng)度各不相同。因此，研究者推測，此前Ag₂Se量子點發(fā)射范圍窄、半高寬（FWHM）大的原因，可能源于Ag-TOP配位較弱，導(dǎo)致解離-成核動力學(xué)失衡，限制了顆粒成熟并影響其發(fā)光特性。采用更具反應(yīng)活性的PR₃可改變合成動力學(xué)，獲得尺寸更大、FWHM更小的Ag₂Se量子點�；�于三丁基膦（TBP）較短的烷基鏈，其因空間位阻減小和更強(qiáng)的σ-給電子能力，顯著增強(qiáng)了與Ag⁺的配位能力，通過多參數(shù)調(diào)控策略（涉及TBP含量、反應(yīng)溫度及Se/Ag摩爾比）系統(tǒng)建立了Ag₂Se量子點的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系（圖1a）。圖1b–g展示了在不同反應(yīng)時間（1–80 min）及條件下獲得的Ag₂Se量子點的熒光光譜，以及其發(fā)射峰位置（圖1h–j）和FWHM的相應(yīng)變化。

圖2. Ag₂Se量子點性質(zhì)表征

為闡明結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，選取發(fā)射波長分別為1030、1150、1300、1390、1520、1660和1710 nm的Ag₂Se量子點（QDs）進(jìn)行系統(tǒng)表征（圖2a）。高分辨率透射電子顯微鏡圖像顯示，所有樣品的晶格間距均為0.24 nm，與正交相Ag₂Se的(013)晶面（JCPDS 24–1041）高度吻合，證實了晶體結(jié)構(gòu)的均一性。統(tǒng)計分析表明，Ag₂Se量子點尺寸隨發(fā)射波長從2.53 nm增至6.2 nm（圖2b）。由于強(qiáng)電子限域效應(yīng)，即使微小的尺寸變化也會導(dǎo)致顯著的發(fā)射波長偏移（≈700 nm）。此外，顆粒均勻性與光譜半高寬（FWHM）高度相關(guān)，驗證了此前觀察到的光學(xué)行為。吸收光譜顯示，隨著量子點尺寸增大，激子吸收峰持續(xù)紅移，表明帶隙減�。▓D2c）。值得注意的是，當(dāng)尺寸接近≈7.2 nm（圖2d）時，NIR-II發(fā)射變得不可檢測，這歸因于帶隙收窄及帶內(nèi)躍遷的出現(xiàn)。這些結(jié)果表明，Ag₂Se量子點在7 nm以下表現(xiàn)出顯著的量子限域效應(yīng)，可實現(xiàn)全NIR-II波段的可調(diào)發(fā)射（圖2e）。通過Tauc圖計算的光學(xué)帶隙范圍為0.69至1.31 eV，并采用經(jīng)驗擬合公式（公式1）描述該NIR-II波段內(nèi)尺寸依賴的光學(xué)特性（圖2f）：

結(jié)合上述合成策略與結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)，研究者提出了一種改進(jìn)的Ag₂Se量子點形成機(jī)制。如圖2g所示，實線與虛線分別代表Ag前驅(qū)體濃度與量子點尺寸的時序演化。綠色區(qū)域為Se-TBP前驅(qū)體注入前階段，隨后為快速成核階段（黃色）和生長階段（紅色）。盡管較高溫度與增大Se/Ag比均能加速成核與生長，但其作用機(jī)制略有不同：溫度主要通過調(diào)控前驅(qū)體反應(yīng)性影響最終顆粒尺寸，而Se/Ag比則主要影響早期成核過程。在其他條件相同的情況下，增加TBP含量（如從0.8 mmol增至1.6 mmol）可使樣品呈現(xiàn)相似的初始生長速率，隨后進(jìn)一步增大尺寸，這歸因于TBP對Ag₂Se的逐步溶解，提升了有效Ag濃度并促進(jìn)后續(xù)生長。上述三個參數(shù)協(xié)同調(diào)控成核與成熟動力學(xué)。通過優(yōu)化這些因素，成功獲得了發(fā)射波長從935 nm至1710 nm可調(diào)的Ag₂Se量子點（圖2h）。進(jìn)一步測量了絕對量子產(chǎn)率（PLQY），結(jié)果顯示其隨發(fā)射波長增加而逐漸降低，在1400 nm以上低于1%，這可能源于較大顆粒引入了更多表面缺陷。為實現(xiàn)比率檢測，需選用兩種光譜分離的量子點以供光譜儀與成像系統(tǒng)清晰區(qū)分。綜合考慮亮度，選取了中心發(fā)射波長分別約為1040 nm和1330 nm的兩種Ag₂Se量子點，其對應(yīng)PLQY的局部最大值。如預(yù)期，僅通過切換光學(xué)濾光片（SP1150和LP1290）并采用單一808 nm連續(xù)激光激發(fā)，即可明確區(qū)分二者信號，為實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖3. S-QD和L-QD血管淋巴雙色成像

為實現(xiàn)活體成像，亟需具備高生物相容性的水分散型探針。聚（氨基酸）因其相較于聚醚酰亞胺、聚丙烯酸、聚乙二醇（PEG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等傳統(tǒng)聚合物更優(yōu)異的生物相容性、可生物降解性及更低的免疫原性，近年來備受關(guān)注。然而，其在穩(wěn)定Ag₂Se量子點方面的應(yīng)用仍屬空白。為此，本文合成了疏水性油胺接枝的聚琥珀酰亞胺（PSIOAm），其在堿性條件下水解可生成兩親性油胺接枝的聚天冬氨酸。利用該配體，兩種光譜可區(qū)分的Ag₂Se量子點成功轉(zhuǎn)移至水相，分別標(biāo)記為S-QD（≈1040 nm，短波長量子點）和L-QD（≈1305 nm，長波長量子點）（圖3a）。動態(tài)光散射（DLS）測量顯示，S-QD和L-QD的流體動力學(xué)直徑分別為≈31 nm和≈48 nm，且二者ζ電位均接近−38 mV，表明其具有優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性。S-QD和L-QD展現(xiàn)出卓越的光穩(wěn)定性：在808 nm連續(xù)激光照射30分鐘后，其熒光強(qiáng)度仍保持初始值的≈90%，而吲哚菁綠（ICG）的熒光強(qiáng)度則降至40%以下，凸顯了Ag₂Se量子點在長時程N(yùn)IR-II成像中的優(yōu)越穩(wěn)定性。接著在1%脂乳仿體中進(jìn)一步評估其深層成像能力，S-QD（采集波段900–1150 nm）的散射和背景信號高于L-QD（1290–1700 nm），但其更高的亮度補(bǔ)償了這些影響，使二者均實現(xiàn)了≈6 mm的成像深度。

如圖3b所示，僅通過切換濾光片（SP1150和LP1290），即可在混合樣品中準(zhǔn)確區(qū)分S-QD和L-QD信號。細(xì)胞毒性通過MTT實驗（和活/死細(xì)胞染色）評估。S-QD和L-QD均表現(xiàn)出低細(xì)胞毒性，在4T1細(xì)胞中分別于200 µg mL⁻¹和300 µg mL⁻¹濃度下仍維持超過90%的細(xì)胞活力�；�/死染色圖像進(jìn)一步佐證了上述結(jié)果：孵育12和24小時后，紅色染色的死細(xì)胞極少，表明細(xì)胞活力極高。這些結(jié)果證實了聚（氨基酸）包覆的S-QD和L-QD具有低細(xì)胞毒性。

在S-QD濃度為0.4 mg mL⁻¹、L-QD濃度為0.6 mg mL⁻¹時，溶血率均低于5%，證實其具有良好的血液相容性。研究者首先按照圖3c所示方案進(jìn)行了雙色血管-淋巴管成像。由于較長的發(fā)射波長可實現(xiàn)更深的組織穿透和更高的信背比（SBR），L-QD經(jīng)靜脈注射用于高分辨率可視化微血管網(wǎng)絡(luò)。如圖3d所示，該通道可清晰區(qū)分體內(nèi)兩條相鄰的小血管，其寬度分別為0.39 mm和0.47 mm（圖3e）。短波長發(fā)射的S-QD用于淋巴結(jié)（LNs）成像。進(jìn)一步的多通道融合圖像揭示了血管與淋巴結(jié)的空間關(guān)系，其中一處共定位的1.87 mm淋巴結(jié)與相鄰的血管（寬度分別為0.46 mm和0.8 mm）清晰可辨（圖3e），這種解剖細(xì)節(jié)水平是單色成像無法實現(xiàn)的。該雙色平臺亦被拓展至胃腸道成像（圖3f）。線剖面分析顯示腸管寬度約為3.25 mm，SBR為1.6（圖3g）。為最大化雙色探針應(yīng)用價值，開展了淋巴結(jié)的多路復(fù)用與比率成像（圖3h）。將尺寸匹配的S-QD與L-QD共注射至小鼠足墊，可高效共定位至骶淋巴結(jié)（圖3i）。令人振奮的是，建立SP1150/LP1290信號比率模型有效消除了背景干擾（比率=0.93），將淋巴結(jié)檢測精度從融合圖像中的2.3 mm提升至比率偽彩圖像中的1.95 mm（圖3j）。這種自校準(zhǔn)技術(shù)有望為精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（MLNs）成像建立新范式。

圖4. 荷瘤小鼠和正常小鼠MLNs的比率檢測

為實現(xiàn)轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（MLNs）的比率檢測，將S-QDs功能化修飾葉酸（SQD-FA），靶向4T1腫瘤細(xì)胞表面過表達(dá)的葉酸受體（圖4a）。共軛成功通過傅里葉變換紅外（FTIR）光譜驗證：盡管PSIOAm與FA-PEG-NH₂均顯示酰胺鍵（≈1600 cm⁻¹），SQD-FA在1100 cm⁻¹處出現(xiàn)新的C-O-C伸縮振動峰，為FA-PEG偶聯(lián)提供了直接證據(jù)（圖4b）。流體動力學(xué)直徑由31 nm增至37 nm，ζ電位由−38 mV升至−18 mV，進(jìn)一步證實了有效的表面修飾。細(xì)胞攝取研究顯示，與非靶向S-QDs相比，4T1細(xì)胞孵育SQD-FA后NIR-II熒光顯著增強(qiáng)，驗證了葉酸受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用（圖4c）。為評估探針在體內(nèi)的性能，將SQD-FA與L-QD共注射形成比率對（Mix-QD）用于MLNs檢測（圖4d）。理論上，兩種量子點通過淋巴引流相似積累，在正常淋巴結(jié)（NLNs）中維持穩(wěn)定的SP1150/LP1290強(qiáng)度比。而腫瘤浸潤的MLNs則因主動靶向優(yōu)先滯留SQD-FA，導(dǎo)致比率顯著升高。為驗證此機(jī)制，通過足墊注射建立4T1-Luc轉(zhuǎn)移模型，生物發(fā)光成像在2周內(nèi)確認(rèn)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移（圖4e）。對生物發(fā)光淋巴結(jié)、正常淋巴結(jié)及腫瘤組織的組織學(xué)檢查（H&E染色）顯示MLNs呈現(xiàn)腫瘤樣形態(tài)（圖4f）。此外，Ki67免疫染色表明MLNs中增殖信號呈彌散分布（接近原發(fā)腫瘤），而正常淋巴結(jié)中Ki67表達(dá)微弱且局域化（圖4f），共同確認(rèn)了其轉(zhuǎn)移狀態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)證實了生物發(fā)光檢測識別淋巴轉(zhuǎn)移的可靠性。有趣的是，利用L-QDs的NIR-II成像揭示了MLNs中的血管重塑：與正常淋巴結(jié)中單根血管（≈0.55 mm）相比，MLNs內(nèi)血管更密集、更迂曲（0.52–0.76 mm）（圖4g,h），可能促進(jìn)探針的增強(qiáng)遞送。

為評估診斷性能，在荷瘤與對照小鼠中進(jìn)行動態(tài)成像與比率重建（圖4i）。盡管合并熒光圖像無法區(qū)分MLNs與NLNs，偽彩色比率圖卻能清晰分辨MLNs。定量分析顯示，所有淋巴結(jié)中兩個通道的信號均呈時間依賴性增強(qiáng)。在NLNs中，SQD-FA與L-QD的強(qiáng)度曲線高度一致（圖4j），均在≈30 min達(dá)峰（分別為初始強(qiáng)度的1.29倍與1.31倍），證實其藥代動力學(xué)行為相似。在MLNs中，兩種探針的時序趨勢與NLNs一致（圖4k），同樣在≈30 min達(dá)峰，但熒光增強(qiáng)更顯著（SQD-FA為2.4倍，L-QD為1.7倍），這可能源于血管密度增加與葉酸受體介導(dǎo)的歸巢效應(yīng)。盡管絕對熒光強(qiáng)度存在部分不一致，比率信號在時間上保持高度穩(wěn)定，有效校正了個體強(qiáng)度差異。比率在MLNs中穩(wěn)定升高至≈1.41，而NLNs中始終低于1（圖4l），證明該比率策略對MLNs識別具有高靈敏度與高特異性。

圖5. 同一小鼠體內(nèi)MLN和正常LN的比率成像

為進(jìn)一步驗證比率成像策略的診斷可靠性與可重復(fù)性，研究者在同一只動物體內(nèi)對轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（MLNs）與對側(cè)正常淋巴結(jié)（NLNs）進(jìn)行了配對檢測。選取三只單側(cè)攜帶MLNs的小鼠，注射SQD-FA/L-QD探針混合物（圖5a）。30分鐘后，采集雙通道熒光信號并處理生成偽彩色SP1150/LP1290比率圖（圖5b）。所有受試動物中，MLNs的比率值均顯著高于正常淋巴結(jié)（比率>1.4 vs <1），差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（p<0.01，n=3），表明其具有穩(wěn)健的組內(nèi)對比度與良好的可重復(fù)性。為驗證體內(nèi)結(jié)果，對術(shù)中切除的淋巴結(jié)進(jìn)行離體分析。生物發(fā)光成像確認(rèn)了MLNs的成功切除（圖5c），而NIR-II熒光成像保留了體內(nèi)觀察到的比率對比度（圖5d）。值得注意的是，離體成像消除了組織散射偽影，提供了更清晰的對比度，差異高度顯著（p<0.001，n=3）。在不同深度測量的比率信號顯示，體內(nèi)較深淋巴結(jié)（≈2–3 mm）與離體表淺淋巴結(jié)（0 mm）的比率讀數(shù)均能可靠區(qū)分淋巴結(jié)狀態(tài)，證實該比率法有效最小化了影響單色成像的深度依賴性衰減。形態(tài)學(xué)上，MLNs明顯腫大，投影面積約為正常淋巴結(jié)的四倍（圖5e），符合病理性淋巴結(jié)腫大的特征。綜上，這些結(jié)果證實了比率成像平臺在實時術(shù)中識別與術(shù)后病理評估MLNs方面的高準(zhǔn)確性、可重復(fù)性及雙模態(tài)轉(zhuǎn)化潛力。本探針利用MLNs與NLNs的攝取差異，在體內(nèi)外均提供清晰對比。可激活策略（如酶或pH響應(yīng)設(shè)計）有望進(jìn)一步提升特異性，是未來優(yōu)化本比率平臺的有前景方向。

為全面評估體內(nèi)生物相容性，分別在靜脈和口服給藥后開展了急性和長期毒性研究，發(fā)現(xiàn)量子點清除高效且長期滯留極少。注射后24小時，處死小鼠并進(jìn)行血液學(xué)、生化及組織病理學(xué)分析。QD處理組與對照組在關(guān)鍵血液學(xué)參數(shù)上無顯著差異（n=3，圖5f），包括白細(xì)胞計數(shù)（WBC）、淋巴細(xì)胞計數(shù)（Lymph）、紅細(xì)胞計數(shù)（RBC）、血紅蛋白（HGB）、紅細(xì)胞壓積（HCT）、平均紅細(xì)胞體積（MCV）、平均紅細(xì)胞血紅蛋白含量（MCH）、平均紅細(xì)胞血紅蛋白濃度（MCHC）和血小板計數(shù)（PLT），所有數(shù)值均在生理范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)毒性可忽略。同樣，血清生化指標(biāo)未顯示肝腎功能損傷跡象（圖5h），主要器官的H&E染色未見凋亡、炎癥或結(jié)構(gòu)異常（圖5i），進(jìn)一步證實低急性毒性。QD處理組小鼠的體重變化軌跡與生理鹽水對照組全程一致（圖5j），表明無延遲性不良反應(yīng)。綜上，這些結(jié)果證實了多路復(fù)用Ag₂Se量子點優(yōu)異的體內(nèi)生物相容性，與體外結(jié)果一致，并凸顯其臨床轉(zhuǎn)化的廣闊潛力。

綜上，本研究通過以低空間位阻的TBP替代傳統(tǒng)TOP，構(gòu)建了Ag₂Se量子點的理性合成策略，協(xié)同OT精準(zhǔn)調(diào)控顆粒生長動力學(xué)。該配體工程策略實現(xiàn)了對量子點尺寸與發(fā)射的精確調(diào)控，首次覆蓋了整個NIR-II窗口（935–1710 nm），為Ag₂Se量子點迄今最寬的光譜調(diào)控范圍�；�于此可調(diào)發(fā)射特性，選用光譜互不干擾的S-QD（1040 nm）與L-QD（1305 nm）實現(xiàn)了血管、淋巴系統(tǒng)及胃腸道的雙色活體成像。在此雙發(fā)射框架基礎(chǔ)上，通過將S-QD功能化修飾葉酸以實現(xiàn)主動靶向，同時保留L-QD作為內(nèi)參，構(gòu)建了組分同源的比率成像平臺。該系統(tǒng)基于約0.9的比率閾值，可靠地區(qū)分了轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（MLNs）與正常淋巴結(jié)（NLNs），在術(shù)中與術(shù)后場景中均展現(xiàn)出卓越的靈敏度、可重復(fù)性與穩(wěn)健性。本研究為Ag₂Se量子點的光譜工程與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開辟了新范式，為開發(fā)低毒性、多路復(fù)用的臨床診斷探針提供了堅實框架。

 

參考文獻(xiàn)

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