Oxygels：可调谐磷光水凝胶用于切伦科夫激发发光成像（CELI）检测氧气

《Advanced Healthcare Materials》：Oxygels: Tunable Phosphorescent Hydrogels for Cherenkov-Excited Luminescence Imaging (CELI) of Oxygen

　　

研究人员提出了一类磷光水凝胶，称为Oxygels，用于通过切伦科夫激发发光成像（Cherenkov-excited luminescence imaging，CELI）进行局部深层组织氧气传感。Oxygels由共价结合在聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）基质内的树突状磷光探针组成，该基质由光学中性的树突状交联剂固定。磷光探针在基质内的共价连接防止其从凝胶中浸出。改变围绕磷光中心的树突聚合物的大小/代数可调节Oxygel的灵敏度，而改变探针与中性交联剂的比例有助于优化Oxygel的性能。植入组织后，Oxygels仅诱导中等程度的初始异物反应，巨噬细胞募集极少。使用线性加速器（linear accelerator，linac）的电子脉冲进行切伦科夫激发，评估了Oxygels在CELI中的性能。在FLASH模式下递送的临床辐射剂量（最高10 Gy）下，通过外周探测器检测到小鼠皮下或腹腔内植入的Oxygels发出稳健的磷光衰减。所得的衰减时间常数提供了Oxygel植入部位组织氧合作用的定量信息。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
氧气是组织代谢的关键代谢物，其静息或代谢负荷下的平均浓度反映了组织生理状态，并可作为疾病标志物。在放射治疗（radiation therapy, RT）和光动力治疗中，无创监测组织氧分压（partial pressure of oxygen, pO₂）的变化对评估疗效至关重要。传统磷光淬灭法可用于氧传感，但深部组织成像需红光/近红外波段激发和发射，以避免短波长光的散射和吸收。现有方法如磷光寿命层析成像可实现三维氧分布可视化，但受限于光学光子的强散射，空间分辨率低。为克服散射问题，研究人员开发了混合模态方法——切伦科夫激发发光成像（Cherenkov-excited luminescence imaging, CELI），利用高能粒子束在组织内产生的切伦科夫光激发光学探针，通过扫描辐射束实现亚毫米级分辨率成像。然而，以往使用可溶性氧探针（Oxyphors）时，探针会从注射部位扩散，导致信号衰减。因此，需要开发嵌入水凝胶的磷光探针，实现局部、纵向的深部组织氧传感。现有磷光水凝胶大多在可见光波段工作，不适用于深部组织，且存在探针浸出、灵敏度不可调等问题。为此，本研究设计了一类新型磷光水凝胶——Oxygels，旨在实现基于CELI的深部组织氧传感，并优化其生物相容性、灵敏度及长期稳定性。

**研究内容与结论**
研究人员合成了Oxygels，其由聚乙二醇（PEG）二胺骨架、光学中性树突状交联剂（BTAGluOH）和铂四苯并卟啉-聚芳基甘氨酸树突探针（PtTBP-AG_mOH, m=0–2）组成。通过改变树突代数（m）调节氧淬灭常数，从而优化灵敏度；通过调整探针与交联剂比例控制凝胶力学性能。光物理表征显示，Oxygels在近红外区（λ_max~780 nm）发光，磷光寿命随树突代数增加而延长（τ₀从37.7 μs增至45.1 μs），氧淬灭常数（k_q）从1147.5 mmHg^-1s^-1降至217 mmHg^-1s^-1，表明树突外壳有效阻碍了氧扩散。生物相容性评估：植入小鼠皮下后，Oxygels仅引起轻度异物反应，巨噬细胞（F4/80阳性）浸润有限，未检测到异物巨细胞，且血管生成（EMCN染色）不显著。在体CELI实验使用电子线性加速器（linac）的FLASH模式脉冲激发，通过ICCD相机和光纤磷光计检测信号。皮下植入的Oxygel（20 mg）在单脉冲（7.9 Gy）激发下获得高信噪比磷光衰减，可分辨pO₂变化（±2.5 mmHg）。腹腔植入（50 mg，深约3 mm）后，通过多延迟图像采集重构出磷光寿命图和pO₂图，证实了深部氧传感的可行性。

**研究意义**
该研究发表在《Advanced Healthcare Materials》。Oxygels通过树突封装和光学中性交联剂设计，实现了氧灵敏度的可调谐性，解决了传统水凝胶中探针浸出、灵敏度不足的问题。其生物相容性良好，在至少4周内保持结构完整和信号稳定，适用于纵向监测。结合CELI，Oxygels可在临床相关辐射剂量下实现深部组织氧分压的定量测量，尤其对FLASH放射治疗中氧效应机制的研究和临床转化具有重要意义。

**主要关键技术方法**
1. **树突探针合成与封装**：通过肽偶联反应将PtTBP-AG_mOH树突探针共价键合到PEG二胺骨架中，以光学中性树突交联剂BTAGluOH形成交联网络。
2. **光物理与氧传感校准**：测量磷光寿命和Stern–Volmer氧淬灭常数，建立寿命与pO₂的线性关系，校准温度影响（37°C下k_q增加约50%）。
3. **动物实验模型**：使用C57BL/6J和裸鼠（来源：Jackson Laboratory和Envigo），进行皮下或腹腔植入，评估生物相容性（H&E、F4/80、EMCN染色）和在体CELI性能。
4. **CELI激发与检测系统**：基于电子linac的FLASH脉冲（0.25–7.9 Gy/脉冲），同步ICCD相机或光纤磷光计采集磷光衰减，计算寿命和pO₂。

**研究结果**

**3.1 Oxygels Design**
通过分析PEG基质中直接掺入金属卟啉的局限性（高浓度导致自淬灭、氧扩散快），研究人员提出将磷光中心封装在疏水性芳基甘氨酸树突中，并利用光学中性树突交联剂稀释探针浓度，从而避免自淬灭并调节氧灵敏度。

**3.2 Oxygels Synthesis and Composition**
合成了光学中性交联剂BTAGluOH（六羧基）和不同代数的树突探针PtTBP-AG_mOH（m=0–2）。通过调整探针与交联剂摩尔比（如探针摩尔分数约0.01，交联剂约0.24），在保持凝胶力学稳定性的同时实现高探针含量。

**3.3 Structural and Photophysical Properties of Oxygels**
- **溶胀行为**：平衡溶胀比（SR）随树突代数增加而降低（PtTBP-OG0: 54, PtTBP-OG1: 38, PtTBP-OG2: 23），SEM显示孔径从50 μm降至20 μm。高水含量（>95%）确保了光学透明性。
- **光物理性质**：吸收/发射光谱与游离探针一致，磷光寿命τ₀为37.7–45.1 μs。氧淬灭常数k_q随树突代数增加而减小（PtTBP-OG2的k_q为217 mmHg^-1s^-1），证明树突外壳有效减缓氧扩散。
- **稳定性**：PtTBP-OG2在4°C储存8个月后Stern–Volmer曲线几乎不变，表明长期稳定性。

**3.4 Oxygels Biocompatibility and Biodegradation**
- 植入后2周，Oxygel保持原尺寸，4周出现溶胀（部分水解），8周后PEG基质降解但探针残留。
- H&E染色显示薄囊状细胞层形成，无大量炎症细胞浸润或异物巨细胞。
- F4/80免疫组化显示2周时巨噬细胞呈异质性分布，4周时形成明显阳性细胞层，提示中度异物反应。
- EMCN染色未检测到血管浸润，4周后外周血管增多，可能与基质重塑有关。

**3.5 In Vivo Cherenkov-Excited Luminescence Imaging**
- 皮下植入的Oxygel（20 mg）在单脉冲（7.9 Gy）激发下，磷光衰减信噪比高，可区分活体（pO₂ 46.4 mmHg）和安乐死后（1.2 mmHg）的氧分压。
- 腹腔植入（50 mg，深约3 mm）后，通过ICCD相机采集40张延迟图像（总剂量10 Gy），重构出磷光寿命图和pO₂图，显示深部氧传感可行性。
- 单探测器光纤磷光计提供更高精度的pO₂定量（±2.5 mmHg），适用于FLASH RT中的单点监测。

**讨论与结论**
讨论部分指出，Oxygels通过树突封装和中性交联剂设计，实现了氧灵敏度的可调谐性，避免了传统水凝胶的缺陷。生物相容性研究显示，Oxygels仅引起轻度异物反应，在至少4周内可稳定报告局部组织氧合。CELI测试证明，小体积Oxygel植入物可结合临床辐射脉冲实现深部氧测量，对FLASH RT中氧效应的机制研究有重要价值。当前技术的局限性在于需要物理植入，可能干扰局部氧合，未来可通过可注射液体前体凝胶化来克服。

**研究结论翻译**
在本研究中，研究人员开发了具有可调谐氧淬灭性能的磷光PEG基水凝胶，并通过CELI验证了其在组织氧测量中的性能。设计基于先前成果，但提供了几个新特征：首先，磷光发色团并非直接嵌入水凝胶网络，而是封装在疏水性芳基甘氨酸树突中，再交联到PEG基质中；树突封装优化了Oxygels的灵敏度，使其在生理氧范围内性能最大化。其次，卟啉-树突（探针）作为掺杂剂，而主交联剂为光学中性树突；改变交联剂与探针比例可独立调节凝胶流变性能和探针浓度。生物相容性研究表明，Oxygels不诱导长期免疫反应或炎症，仅引起轻微初期异物反应。植入后至少4周，Oxygels保持结构完整性，并产生稳健磷光信号。由于水合PEG基质不影响由树突壳定义的氧淬灭常数，因此Oxygels能定量报告局部组织氧合，直至PEG基质完全降解。CELI测试显示，小体积Oxygel植入物可利用电子脉冲的切伦科夫光进行深部氧测量。采样深度取决于磷光收集效率和信号强度，两者均可通过技术改进提升。目前Oxygel技术的主要缺点是需要物理植入固体凝胶片，具有侵入性并扰动测量部位氧合，未来可通过可注射液体前体凝胶化来克服。