研究背景
在炎症发生过程中，由中性粒细胞、单核细胞等产生的髓过氧化物酶（Myeloperoxidase，MPO）起着重要作用，准确检测及评估MPO体内活性可有效诊断及控制炎性疾病。鲁米诺被报道用于MPO依赖的高灵敏的生物发光炎症检测，然而，该生物发光过程产生的蓝光（λmax = 425 nm) 受限于组织穿透性，难于用于深部炎症检测。
另一方面尽管这种生物发光成像具有很高的特异性和灵敏度，但是成像的时间和空间分辨率很差。超声成像是临床上常用的一种成像方式，具有便捷、经济、实时和空间分辨率高等优势，在超声造影剂的增强对比下，能清晰显示深部组织的微血管结构。因此将超声成像和生物发光成像结合将可以实现优势互补。
北京大学戴志飞课题组长期以来致力于多功能超声诊疗试剂的研究，在基础研究和临床转化方面取得了诸多成果。在这项研究中，该团队制备了掺杂荧光染料纳米泡，作为能量转递载体，可将鲁米诺产生的蓝光经红移至近红外区域，从而实现深部组织的炎症检测，同时通过与超声成像结合，实现了对炎症部位的实时、高空间分辨率的超声造影成像，如图1所示。
图1. 鲁米诺与载染料纳米泡检测炎症示意图
研究工作简介
本研究构建了一种新型的掺杂荧光染料的纳米泡，不仅能够用于超声造影成像，还能够有效地整合生物发光能量共振转移（Bioluminescenceresonance energy transfer，BRET）及荧光能量共振转移（Fluorescenceresonance energy transfer，FRET），将鲁米诺产生的蓝光转换为近红外光，从而实现对深部炎症组织的高灵敏的生物发光成像。
为建立BRET-FRET体系，作者选择了DiI和DiD两种染料，不仅由于其脂质结构易于掺杂到纳米泡的脂质膜上，同时因为二者间光谱存在较大重叠，利于FRET产生，且DiI与鲁米诺之间也存在有效的光谱重叠，成为BRET的发生条件。与商用超声造影剂Sonovue相比，这种纳米泡粒径更小、浓度更大，并且同等浓度下，超声造影效果更优。
小鼠静脉注射后，这种纳米泡在体内可稳定循环达30分钟以上，为进行炎症成像提供了足够的时间。在脂多糖诱导的小鼠炎症模型中，作者首先筛选出鲁米诺与纳米泡的最佳剂量，以得到最高的生物发光信号。相较于单独使用鲁米诺，纳米泡获得的生物发光信号增强了24倍。同时，加入MPO特异性抑制剂4-ABAH后，显著降低了BRET-FRET纳米泡的发光信号，表明这种发光过程是MPO依赖性的。
某些肿瘤在发生发展过程中会伴随着中性粒细胞的渗透，分泌大量活性MPO。因此，作者构建了三阴性乳腺癌小鼠模型，经静脉注射鲁米诺和纳米泡后，经生物发光成像可以清晰的看到一个高亮区域，这一区域与Luciferin检测到的区域完全吻合。对该部位进行超声造影成像，可以清晰地看到一个血管呈现更为密集的血管结构，该区域由HE染色进一步验证为肿瘤部位。
图2肿瘤的生物发光/超声双模态成像结果
工作的亮点、新颖性和意义
本研究将生物发光与超声结合，既有效利用了生物发光高特异性、高信噪比和安全经济的优点，又成功克服了其空间分辨率低、穿透性差的缺陷；而与传统微米级的超声超声造影剂相比，这种纳米级的超声造影剂具有更高的浓度、更小的尺寸，且同等浓度下具有更优良的超声成像效果。该发光纳米泡可用于不同模型中的炎症检测，实现生物发光/超声两种成像模态的取长补短，优势互补。
论文信息
文章题目：BioluminescenceImaging of Inflammation in Vivo Based on Bioluminescence and FluorescenceResonance Energy Transfer Using Nanobubbles Ultrasound Contrast Agent
期刊名：ACS Nano
年份：2019
论文DOI：10.1021/acsnano.8b08359
全文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b08359
【5】研究团队简介
戴志飞，北京大学工学院生物医学工程系教授，国家杰出青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才、国家重点研发计划纳米科技专项首席科学家。1998年于中科院理化所获博士学位并留所工作，先后前往日本、德国和美国工作。2005年被哈工大生命科学院引进回国，2012年加盟北大。现担任中国医药生物技术协会造影技术分会主任委员、中国生物材料学会影像材料与技术分会副主任委员、中国医师协会介入医师分会介入医学工程专委会副主任委员、中国生物医学工程学会生物医学光子学分会副主任委员、中国医药生物技术协会纳米生物技术分会副主任委员、中国医学超声装备协会常务委员，中国超声分子影像专业委员会常务委员、中国声学学会委员，【Bioconjugate Chem】副主编，以及【Theranostics】、【J Interdiscip Nanomed】、《中华核医学与分子影像杂志》等期刊编委。
Abstract:
Inflammation is an immunological response involved in various inflammatory disorders ranging from neurodegenerative diseases to cancers. Luminol has been reported to detect myeloperoxidase (MPO) activity in inflamed area through a light- emitting reaction. However, this method is limited by low tissue penetration and poor spatial resolution. Here, we fabricated a nanobubble (NB) doped with two tandem process integrating bioluminescence resonance energy transfer (BRET) and fluorescence resonance energy transfer (FRET). This BRET-FRET process caused a 24- fold increase in detectable luminescence emission over luminol alone in an inflammation model induced by lipopolysaccharide. In addition, the echogenicity of the BRET-FRET NBs also enables perfused tissue microvasculature to be delineated by contrast- enhanced ultrasound imaging with high spatial resolution. Compared with commercially-available ultrasound contrast agent, the BRET-FRET NBs exhibited comparable contrast- enhancing capability but much smaller size and higher concentration. This bioluminescence /ultrasound dual-modal contrast agent was then successfully applied for imaging of an animal model of breast cancer. Furthermore, biosafety experiments revealed that multi-injection of luminol and NBs didn’t induce any observable abnormality. By integrating the advantages of bioluminescence imaging and ultrasound imaging, this BRET-FRET system may have the potential to address a critical need of inflammation imaging.
