1 文章内容简介

纳米颗粒可以被设计出独特性质和能力，其成像在各个领域具有重要意义，尤其是与生物医药相关的研究领域。纳米颗粒可以设计成纳米级别大小，比可见光波长还小。这一特性使它们能够实现对细胞和亚细胞结构的高分辨率成像，为生物过程提供有价值的洞察。它能够选择性地结合特定的细胞或组织。这种靶向能力允许对疾病区域进行特定和精确的成像，例如肿瘤，实现早期检测和准确的疾病监测。纳米颗粒过去被设计成同时携带多种成像剂或对比剂用于荧光成像，但携带荧光基团往往尺寸会相对比较大，容易改变纳米粒在生物体中的真实运输状态。随着高分辨成像技术的开发与进步，生物正交的化学键成像技术逐渐会在未来纳米载药可视化研究中扮演越来越重要的角色。

用于成像的纳米颗粒带有可成像的化学键，但保持其原有尺寸，可自由进行非侵入性的给药，可以通过静脉注射或其他非侵入性途径进行，减少了手术干预的需要，减轻了患者的不适。化学键成像纳米颗粒在使科学家能够研究活体动物中的疾病模型、药物相互作用和治疗效果。这些信息对于新疗法的开发和疾病机制的理解是宝贵的。成像纳米颗粒有助于可视化细胞和分子过程，帮助研究人员深入了解生物途径、疾病进展和实验药物的影响。

受激拉曼散射（SRS）成像技术是新一代的基于探测分子振动的强大的非线性成像技术。它在对纳米颗粒定量成像方面具有独特的优势。首先，它是无标记成像，避免了荧光标记对纳米颗粒及周围物质可能的破坏，对于直接观察纳米颗粒原本特性具有重要意义。其次，拉曼信号强度与分子浓度成正比，有助于定量成像。另外，我们最近的工作显示SRS具有高速和超高空间分辨率（亚微米级）的能力，能够在细胞、生物组织体内快速成像，避免了生物降解的影响， 对于观察纳米颗粒的扩散、聚合、转化等过程尤为重要。

受激拉曼散射成像在生物、医学、及纳米材料等领域具有广泛应用。受激拉曼散射成像在定量观测纳米颗粒在细胞、生物体内的摄入、分布情况方面，以及在观察基于纳米颗粒的药物输送系统上的应用，为研究药物的释放动力学、释放机制、以及靶向效率提供许多有价值的信息。借助生物正交化学键及受激拉曼散射成像，研究人员可以直接观察检测聚合物纳米粒子在生物体内的药物代谢动力学和组织的化学反应，设法解决关注的生物安全性问题，以推动开发更有效的药物输送系统。本文讨论了受激拉曼散射成像在观察纳米粒子中的应用，总结了当前依然面临的一些挑战，比如光谱重叠，生物相容性以及生物安全性，及其解决方案，最后展望了其在这一领域将来的发展应用方向。与其他先进高效的数据、图像处理技术以及成像技术相结合，受激拉曼散射成像在生物医学、临床上定量观测纳米粒子、药物输送等方面具有极大的应用前景。

2 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

领域的前景非常广阔，这得益于SRS的一些独特技术能力。一方面，受激拉曼散射成像具有固有的无标记、非破坏性的特点。另一方面，氘、叠氮、和炔烃等化学键标记也已被应用于拉曼成像。利用炔烃标记标记或结合氘、叠氮、和炔烃标记，可实现对纳米粒子的多色成像。今后，炔烃标记标记的受激拉曼散射成像将被更广泛应用于观察纳米颗粒在细胞内的动态过程，可以实现在临床上实时观察纳米载体在活体组织、细胞内的分布。

受激拉曼散射成像技术在灵敏度、信噪比、分辨率等方面的进步，更将提高SRS准确定位、定性纳米颗粒的能力。结合先进的数据、图像处理技术，使我们能够探察生物组织、细胞、甚至细胞器内纳米级的分子异质性。结合其他成像技术，比如荧光显微镜和电子显微镜，可以更全面地了解纳米颗粒的特性以及它们进入细胞膜、细胞质的动态过程。

3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

首先，纳米颗粒与背景的拉曼光谱存在重叠，这影响了对纳米颗粒的准确定量。如何开发出更先进有效的光谱解混算法仍需要继续的研究。

其次，结合氘、叠氮、和炔烃等化学键标记和受激拉曼散射成像，我们可以追踪纳米颗粒（载体）在生物体内的摄入、转化等动态过程。这方面的研究将有利于开发新一代更有效的靶向药物输送系统。

4 AMR：您认为该领域当前最值得关注的热点是什么？

作者团队：

纳米粒子技术是一个高度跨学科的领域，研究重点可能会因当时的挑战和社会需求而异。随着技术的进步，纳米颗粒的新的研究方向和应用领域可能会陆续出现，并且现有的研究方向也可能会发展演变，当前一些关键主题包括：药物传递系统，癌症纳米医学，纳米颗粒毒理学，成像用纳米颗粒，能源存储和转换，环境修复，纳米颗粒合成与表征，纳米电子学和光电子学，农业中的纳米颗粒等等，都有数量客观的科研人员投入其研究并发表了成果。尤其在生物医学相关的方向，比如纳米颗粒技术被广泛探索作为靶向药物传递的载体。甚至通过功能化纳米颗粒与特定配体，研究人员旨在将药物直接传递到患病细胞或组织，或让药物分子更有效地越过血脑屏障，减少副作用，提高治疗效果等。

石玲燕：加州大学圣地亚哥分校Shu Chien-Gene Lay 生物工程系助理教授。石教授的研究专注于开发高分辨率、高速多模式显微镜，并将其应用于研究衰老和疾病中的代谢动态。她发现了用于深层组织成像的“黄金视窗”，并开发了代谢成像平台DO-SRS。石教授的团队将SRS转化为了具有A-PoD和PRM算法的超分辨多模显微镜，并揭示了果蝇大脑和脂肪体在衰老过程中的脂质代谢动态。石教授持有7项已授予的专利。其当前研究方向包括开发、应用超分辨率、多模式显微生物成像技术研究代谢活动在生物衰老、疾病过程中的作用。她获得了2023年斯隆研究奖（化学）, Rising Star Award by Nature Light Science and Applications 2022, Hellman Fellow Award, “Advancing Bioimaging Scialog Fellow” by RCSA and CZI; David L. Williams Lecture & Scholarship award by Kern Lipid Conference, 以及 2018年布拉瓦尼克区域青年科学家奖（物理学和工程学）。

Hongje Jang：加州大学圣地亚哥分校生物工程系， 石玲燕教授团队的博士后。2022 年获得格奥尔格·奥古斯特·哥廷根大学（Georg-August-Universitaet Goettingen）博士学位。在石教授的团队期间一起开发了A-POD 超分辨显微技术，成果发表在Nature Methods。他的研究注重于开发用以揭示纳米级生物体内化学构成的成像技术及光谱、图像处理的技术。

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Perspectives on SRS Imaging of Nanoparticles

Lingyan Shi* and Hongje Jang

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00100