光學成像可以在分子水平上密切監測生理病理過程，因此被常規用于解讀生物學和診斷疾病。為了最大限度地減少自發熒光并提高信號背景比(SBR)，余輝成像使用材料(如半導體聚合物和稀土摻雜無機納米材料)作為“光學電池”，將光能存儲在缺陷中，然后在光照射停止后緩慢釋放光子。相對于酶催化的生物發光和放射性同位素激活的Cerenkov成像，余輝成像具有可調諧的近紅外(NIR)發射、可再生和可重復的發光以及長壽命的優點，這使得圖像模式適用于各種體內成像應用，如轉移性腫瘤的超靈敏檢測、術中圖像呈現引導手術、藥物激活前的實時跟蹤和器官損傷的早期診斷。在當前的余輝成像實現中，盡管在信號采集過程中消除了自身熒光，但信號誘導過程需要光照射。由于光在組織中的散射和重吸收，利用光誘導余輝(photoafterglow)在深層余輝劑中誘導信號是具有挑戰性的。（換句話說，光對于組織的穿透力是有限的無法在后組織下誘導余輝效應。）這一問題可以通過開發可由深層組織穿透電磁輻射誘導的余輝劑來潛在地解決。然而，X射線誘導的余輝材料是極少的，并且在精確控制探針的結構和表面修飾方面的較為困難，故很難設計出僅在特定生物標記物存在的情況下激活其信號的探針。與X射線的使用相比，非輻射超聲是一種更安全的深層組織穿透機械能，但尚未用于體內光學成像。傳統意義上，聲致發光是指氣泡在超聲照射下周期性膨脹和抽提后發生空化的自發發光過程。然而，這種聲致發光具有較短的波長(藍光)，低亮度和極短的壽命(微秒)。不同的是，超聲觸發的發光是壓電無機材料的能量釋放過程，它將光能存儲在晶格缺陷中，并在超聲機械應力下輻射釋放。然而，光充電是超聲觸發壓電納米顆粒發光的先決條件，這就排除了超聲在深層組織中的應用可重復誘導余輝。鑒于此，浦侃裔教授設計出一種發出超聲波誘導余輝的有機納米顆粒，在生物標志物激活的癌癥免疫治療中的具有極好的響應性按需給藥治療。聲余輝納米顆粒(SNAPs)由聲敏劑組成，作為引發劑，在超聲下產生單線態氧(1O2)，隨后將聲余輝襯底轉化為活性二氧烷襯底，其發光持久且能夠轉移回聲敏劑。超聲啟動機制確保了深層納米顆粒的聲余輝誘導。此外，每種組合物的分子工程允許開發“智能”聲余輝納米探針，僅在特定疾病生物標志物存在時才開啟其聲余輝信號。通過在納米顆粒中加入巨噬細胞極化前藥，我們合成了一種聲波余輝癌癥納米免疫治療探針(SCAN)。SCAN僅在超聲應用下激活免疫治療作用，發射聲余輝信號，可以耦合回腫瘤免疫微環境的促炎水平(以M1巨噬細胞的存在為特征)。因此，SNAP可作為深層組織高對比度生物標志物成像和癌癥治療的模塊化系統。
為了避免光誘導余輝所需要的信號誘導的組織深度有限，發明了超聲誘導余輝納米顆粒(SNAPs)，從可見到近紅外范圍(780 nm)發射可調，半衰期長(高達180 s)。從力學上講，聲誘導余輝類似于光誘導余輝，兩者都由1O2產生的敏化劑啟動，以產生持久的發光中間體。然而，NCBS/DPAs SNAP的聲余輝比其光余輝亮2.4倍，因為聲動力工藝比光動力工藝具有更高的1O2生產效率。在超聲作用下產生更多的1O2可能是由獨特的聲物理化學過程(即聲發光、熱解反應和聲空化效應)引起的，這些過程促進了能量從敏化劑轉移到周圍的氧分子，這在光照射下是不存在的。更重要的是，超聲能夠誘導NCBS/DPAs SNAP深度位于4厘米厚度的組織中，其深度是其光余輝的兩倍。由于高亮度和深層組織成像，皮下植入NCBS/DPAs SNAP的體內余輝信號比所有現有的有機光余輝納米顆粒都要亮，比無機光余輝納米顆粒至少高出190倍。因此，SNAP在組織深度和余輝成像亮度方面都創下了記錄。促炎微環境狀態在腫瘤的發生和發展中起著至關重要的作用，因此它可以作為癌癥免疫治療的預后標志。盡管分子成像在癌癥診斷和治療中的重要性，但現有的大多數顯像劑都具有持續信號發送，并在被動積累時產生非特異性信號。SNAPs的模塊化組成使它們能夠開發成僅在癌癥生物標志物存在時才開啟聲余輝的可激活探針。這對于無機納米顆粒中X射線誘導的余輝可能不太可行。由于產生1O2的引發劑和聲余輝襯底是聲余輝發射的兩個重要組成部分，因此可以對引發劑或襯底進行分子沉默，并設計為可被靶向生物標記物激活。為了檢測過氧亞硝酸鹽(ONOO ?)，一種主要由M1巨噬細胞產生的生物標志物，表征促炎腫瘤微環境，SNAP-M和SCAN分別被設計為具有沉默的聲余輝底物(Pro- DPA)或啟動器(Pro-MB)，兩者都在ONOO ?存在時特異地開啟其聲余輝。這種生物標志物激活的聲余輝在SNAPs中消除了被動累積探針的非特異性信號，允許聲余輝與腫瘤內M1巨噬細胞水平直接相關，從而在癌癥免疫治療期間精確監測促炎腫瘤微環境。利用遠程超聲干預過程，我們進一步將SNAP作為一種癌癥免疫治療劑(SCAN)，通過摻雜沉默的免疫前藥(Pro-R837)。SCAN需要在促炎腫瘤微環境中同時使用超聲和ONOO ?來激活其免疫治療功能。這種雙鎖設計與現有的納米免疫治療藥物不同，現有的納米免疫治療藥物具有“始終打開”信號和藥物作用，這些信號和藥物作用在正常組織中是非特異性釋放的，因此可能導致副作用。除了在腫瘤中遠程控制免疫治療激活的優勢外，SCAN發射ONOO ?相關的聲余輝來實時報告促炎腫瘤微環境中M1巨噬細胞的水平。在這種聲余輝引導的免疫治療方案下，SCAN在合適的劑量下精確地激發了有效的抗腫瘤免疫，從而實現了完全的腫瘤抑制和轉移抑制。因此，SCAN可用于指導癌癥免疫治療和遠程控制免疫治療作用。總之，報道了一個用于活體動物深層組織誘導和無背景光學成像的超聲誘導余輝納米顆粒(SNAPs)庫。借助模塊化聲余輝機制，SNAPs可以被開發成可激活的治療納米探針，用于準確檢測病變微環境中的細微分子變化，并縱向監測治療結果以指導干預。除了在體內藥物篩選和精準醫療方面的潛力外，聲余輝成像的組織深度可能為實時無創檢測生理病理過程提供機會，其靈敏度和組織深度是其他光學模式無法達到的。Cheng Xu, Jingsheng Huang, Yuyan Jiang, Shasha He, Chi Zhang & Kanyi Pu?，Nanoparticles with ultrasound-induced afterglow luminescence for tumour-specific theranostics， Nature Biomedical Engineering 2022DOI:10.1038/s41551-022-00978-zhttps://www.nature.com/articles/s41551-022-00978-z
