近日，青島科技大學(xué)化學(xué)院羅細(xì)亮/焦明霞/張沛森團(tuán)隊(duì)與中科院化學(xué)所荊莉紅在國(guó)際頂級(jí)期刊《ACS Nano》（中科院一區(qū)TOP，IF = 15.8）發(fā)表了題為“Aqueous Grown Quantum Dots with Robust Near-Infrared Fluorescence for Integrated Traumatic Brain Injury Diagnosis and Surgical Monitoring”的研究論文（DOI: 10.1021/acsnano.4c03123）。焦明霞副教授為該論文的第一作者，青島科技大學(xué)為第一完成單位。
創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）是導(dǎo)致傷害相關(guān)死亡的主要原因之一。在中度或重度TBI病例中，大量顱內(nèi)血腫和進(jìn)行性腦腫脹可能引發(fā)腦疝，導(dǎo)致患者迅速惡化甚至死亡。在這些情況下，單獨(dú)使用藥物治療通常難以有效控制病情，因此外科手術(shù)成為關(guān)鍵的治療選擇。然而，手術(shù)本身可能引發(fā)挫傷擴(kuò)大、新的出血或腦積水等并發(fā)癥。外科醫(yī)生必須對(duì)患者情況進(jìn)行全面評(píng)估，仔細(xì)權(quán)衡手術(shù)的潛在益處與風(fēng)險(xiǎn)，以決定是否適合進(jìn)行手術(shù)。由于不同患者的損傷程度和整體健康狀況差異巨大，關(guān)于手術(shù)的決策、手術(shù)類型的選擇以及術(shù)后管理的最佳實(shí)踐仍存在較多爭(zhēng)議。目前，臨床上缺乏一種全面的TBI可視化策略，用以準(zhǔn)確評(píng)估患者狀況、指導(dǎo)治療決策，并提供術(shù)中和術(shù)后的支持。
為解決這一臨床挑戰(zhàn)，本研究提出了一種基于近紅外量子點(diǎn)熒光成像的綜合診斷和管理模式。這種創(chuàng)新策略能夠全面評(píng)估TBI的嚴(yán)重程度，幫助選擇最佳的治療策略，并提供實(shí)時(shí)的術(shù)中和術(shù)后指導(dǎo)。它能區(qū)分顱內(nèi)和淺表出血、檢測(cè)繼發(fā)性腦損傷，并在血腫引流手術(shù)中提供術(shù)中指導(dǎo)。該成像模式有望顯著提高治療方案的準(zhǔn)確性，改善TBI患者的臨床預(yù)后（圖1）。
圖1. 水相直接合成的高穩(wěn)定、近紅外發(fā)射鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點(diǎn)，利用近紅外熒光成像技術(shù)為創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）的手術(shù)治療提供綜合診斷和管理范式，包括但不限于顱內(nèi)出血（ICH）和淺表出血（SFH）的區(qū)分、繼發(fā)性損傷的檢測(cè)、以及血腫引流手術(shù)的術(shù)中監(jiān)控。
圖2. 以軟硬酸堿理論為依據(jù)，通過平衡Zn2+和Al3+的高反應(yīng)活性，在ZnS殼層生長(zhǎng)過程中原位摻雜Al元素，形成鋁氧鈍化保護(hù)層，顯著提高了量子點(diǎn)對(duì)外部環(huán)境中光照氧化的抵抗力和生理復(fù)雜環(huán)境的干擾。
利用水相法直接合成了鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點(diǎn)，由于量子點(diǎn)殼層中摻雜的Al可在顆粒表面形成氧化鋁鈍化保護(hù)層，因而賦予量子點(diǎn)極佳的光穩(wěn)定性，能在長(zhǎng)時(shí)間的光照和復(fù)雜的生理環(huán)境中保持較高的熒光強(qiáng)度（圖2）。經(jīng)表面聚乙二醇配體修飾后，量子點(diǎn)的生物相容性得到了極大提高，而其免疫原性則顯著降低，有效延長(zhǎng)了其在血液中的循環(huán)時(shí)間，從而延長(zhǎng)了其在生物成像中的應(yīng)用窗口。
圖3. 基于近紅外發(fā)射、聚乙二醇修飾的鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)TBI精準(zhǔn)在體/離體可視化評(píng)估。
體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)尾靜脈注射給藥后，鋁摻雜Ag-In-Se@ZnS量子點(diǎn)可以迅速通過血液循環(huán)遞送至腦組織，并特異性聚集于TBI小鼠的腦部創(chuàng)傷區(qū)，實(shí)現(xiàn)腦創(chuàng)傷的活體、實(shí)時(shí)可視化檢測(cè)。在體成像結(jié)束后，將腦組織取出，離體腦組織成像和病理分析結(jié)果顯示，與正常腦組織相比，量子點(diǎn)能夠高度選擇性地聚集于腦損傷區(qū)，高靈敏地區(qū)分損傷區(qū)和正常組織（圖3）。
圖4. 基于量子點(diǎn)的TBI可視化策略在不同臨床場(chǎng)景下的應(yīng)用。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于量子點(diǎn)的光學(xué)成像策略在TBI臨床管理中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本工作模擬了三種常見的臨床場(chǎng)景：1）顱內(nèi)和淺表出血；2）繼發(fā)性出血；3）顱內(nèi)血腫手術(shù)清除，并通過量子點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化檢測(cè)。在體成像結(jié)果表明，通過近紅外光學(xué)成像，可以顯著區(qū)分損傷是否位于顱內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二次出血的發(fā)生位置和范圍，并確認(rèn)血腫是否被有效清除（圖4）。
綜上所述，基于量子點(diǎn)的光學(xué)成像策略能夠針對(duì)多種臨床場(chǎng)景全面診斷和監(jiān)測(cè)TBI，優(yōu)化個(gè)性化治療方案的制定。其高靈敏度和實(shí)時(shí)反饋特性使得對(duì)TBI進(jìn)展進(jìn)行有效監(jiān)控成為可能。此外，光學(xué)成像設(shè)備的便攜性和可移動(dòng)性大大降低了TBI診斷的難度。因此，這項(xiàng)研究策略具有廣泛的臨床應(yīng)用前景，有望為外科醫(yī)生提供更全面的信息支持，實(shí)現(xiàn)TBI的最佳治療效果。
本課題研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目的資助。
論文題目：Aqueous Grown Quantum Dots with Robust Near-Infrared Fluorescence for Integrated Traumatic Brain Injury Diagnosis and Surgical Monitoring
論文作者：Mingxia Jiao, Xiaoqi Li, Hui Liu, Peng Cai, Xiling Yang, Kevin J. McHugh, Bowen Zheng, Jiachen Sun, Peisen Zhang, Xiliang Luo, Lihong Jing
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c03123
