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近日，天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院楊杰博士等在純有機(jī)室溫磷光材料研究方面取得新進(jìn)展。研究成果在Cell Press旗下材料旗艦期刊《Matter》在線發(fā)表，題為“Förster能量轉(zhuǎn)移：一種開(kāi)發(fā)刺激響應(yīng)性室溫磷光材料的高效途徑及其應(yīng)用”。該成果的第一作者為天津大學(xué)2019級(jí)博士生王云生，共同作者有吉林大學(xué)鄒勃教授，共同通訊聯(lián)系人為楊杰博士、唐本忠院士和李振教授。 刺激響應(yīng)性有機(jī)發(fā)光材料因其在信息存儲(chǔ)、防偽、光電器件等應(yīng)用中的巨大潛力而備受關(guān)注。目前，大多數(shù)刺激響應(yīng)發(fā)光材料都是屬于熒光類材料，而磷光類材料較為稀少。相對(duì)而言，具有刺激響應(yīng)特性的有機(jī)室溫磷光(RTP)材料兼具刺激響應(yīng)熒光材料的功能和室溫磷光材料的時(shí)間分辨特性，是當(dāng)前有機(jī)發(fā)光材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。迄今為止，刺激響應(yīng)純有機(jī)RTP材料的報(bào)道多是停留在理論驗(yàn)證或探索性實(shí)驗(yàn)階段，究其原因，材料制備的復(fù)雜性和內(nèi)在機(jī)制的不明確性制約了這類材料的實(shí)際應(yīng)用。基于此，要突破現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展，就迫切需要拓展在理論層面的認(rèn)知邊界，獲得新的行之有效的材料構(gòu)筑策略。 研究人員利用主-客體摻雜體系中距離調(diào)控的共振能量轉(zhuǎn)移(FRET, Förster Resonance Energy Transfer)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了具有刺激響應(yīng)特性的RTP材料。FRET在不同環(huán)境下的廣泛適應(yīng)性和主-客體體系的良好磷光性能共同提高了材料體系的實(shí)用性。利用該策略制備的材料不僅與現(xiàn)有印刷技術(shù)展現(xiàn)出完美的兼容性，而且FRET客體與主體之間的特異性識(shí)別也被成功應(yīng)用于信息加密。該工作首次揭示了FRET過(guò)程在宏觀RTP刺激響應(yīng)材料構(gòu)筑方面的巨大潛力，提出了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、有效并極具商業(yè)潛力的有機(jī)室溫磷光材料構(gòu)造策略。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:近日，天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院楊杰博士等在純有機(jī)室溫磷光材料研究方面取得新進(jìn)展。研究成果在Cell Press旗下材料旗艦期刊《Matter》在線發(fā)表，題為“F?rster能量轉(zhuǎn)移：一種開(kāi)發(fā)刺激響應(yīng)性室溫磷光材料的高效途徑及其應(yīng)用”。該成果的第一作者為天津大學(xué)2019級(jí)博士生王云生，共同作者有吉林大學(xué)鄒勃教授，共同通訊聯(lián)系人為楊杰博士、唐本忠院士和李振教授。 刺激響應(yīng)性有機(jī)發(fā)光材料因其在信息存儲(chǔ)、防偽、光電器件等應(yīng)用中的巨大潛力而備受關(guān)注。目前，大多數(shù)刺激響應(yīng)發(fā)光材料都是屬于熒光類材料，而磷光類材料較為稀少。相對(duì)而言，具有刺激響應(yīng)特性的有機(jī)室溫磷光(RTP)材料兼具刺激響應(yīng)熒光材料的功能和室溫磷光材料的時(shí)間分辨特性，是當(dāng)前有機(jī)發(fā)光材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。迄今為止，刺激響應(yīng)純有機(jī)RTP材料的報(bào)道多是停留在理論驗(yàn)證或探索性實(shí)驗(yàn)階段，究其原因，材料制備的復(fù)雜性和內(nèi)在機(jī)制的不明確性制約了這類材料的實(shí)際應(yīng)用。基于此，要突破現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展，就迫切需要拓展在理論層面的認(rèn)知邊界，獲得新的行之有效的材料構(gòu)筑策略。 研究人員利用主-客體摻雜體系中距離調(diào)控的共振能量轉(zhuǎn)移(FRET, F?rster Resonance Energy Transfer)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了具有刺激響應(yīng)特性的RTP材料。FRET在不同環(huán)境下的廣泛適應(yīng)性和主-客體體系的良好磷光性能共同提高了材料體系的實(shí)用性。利用該策略制備的材料不僅與現(xiàn)有印刷技術(shù)展現(xiàn)出完美的兼容性，而且FRET客體與主體之間的特異性識(shí)別也被成功應(yīng)用于信息加密。該工作首次揭示了FRET過(guò)程在宏觀RTP刺激響應(yīng)材料構(gòu)筑方面的巨大潛力，提出了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、有效并極具商業(yè)潛力的有機(jī)室溫磷光材料構(gòu)造策略。

項(xiàng)目研發(fā)背景及意義 根據(jù)中國(guó)人口協(xié)會(huì)、國(guó)家衛(wèi)健委發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)育齡夫婦的不孕不育率近年來(lái)已高達(dá)12%-15%，患者人數(shù)超過(guò)5000萬(wàn)。其中，女性因素占比50%，男性因素占比40%，夫婦雙方共同原因占比10%。隨著環(huán)境污染、生育年齡推遲、生活壓力等原因，不孕不育夫婦數(shù)量還在不斷增加。 受中國(guó)傳統(tǒng)觀念影響，現(xiàn)階段不孕不育檢查主要以女性檢測(cè)為主，男性檢測(cè)指標(biāo)只有精液常規(guī)等基本指標(biāo)。但研究表明，在男性不育人群中，仍有15%的患者精液常規(guī)檢測(cè)結(jié)果正常。精液常規(guī)分析僅能反映48%男性的生育能力，并不能很好地預(yù)測(cè)精子的受精能力和妊娠結(jié)局，因此臨床迫切需要引入一些新的檢測(cè)指標(biāo)來(lái)正確評(píng)估精子功能，更準(zhǔn)確得預(yù)測(cè)精子的受精能力和妊娠結(jié)局。 已有的研究結(jié)果表明，精子受精過(guò)程中最為重要的三個(gè)功能指標(biāo)能更加全面地反映男性生育力，包括：精子持續(xù)運(yùn)動(dòng)潛能（線粒體功能）、精子穿過(guò)透明帶的能力（頂體功能）和受精后胚胎發(fā)育潛能（精子DNA碎片）： 1.精子線粒體為精子運(yùn)動(dòng)提供能量，線粒體功能異常會(huì)直接導(dǎo)致精子持續(xù)運(yùn)動(dòng)能力下降，進(jìn)而影響精子穿越子宮、到達(dá)輸卵管與卵子結(jié)合； 2.精子頂體協(xié)助精子穿過(guò)透明帶，頂體功能的正常與否直接決定精子的授精能力； 3.精子提供了一半的遺傳物質(zhì)（DNA），其完整與否可影響到受精卵原核的形成、受精卵卵裂能力、早期胚胎著床能力、后續(xù)胚胎的正常發(fā)育潛力及子代的健康。 上述指標(biāo)異常，臨床上可導(dǎo)致不育、反復(fù)流產(chǎn)和助孕治療成功率低等病癥。除此之外，近年來(lái)也出現(xiàn)了一些新的精液質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，成為關(guān)注的熱點(diǎn)，包括：精子活性氧水平、精子質(zhì)膜完整性： 1.精子細(xì)胞內(nèi)的活性氧水平對(duì)精子核DNA的完整性、精子線粒體功能等均有影響，間接影響著精子細(xì)胞的損傷程度、精液質(zhì)量、受精能力以及男性生育力； 2.精子質(zhì)膜的完整性可以很好地反映精子的存活率，活精子是完成受精過(guò)程的前提。 上述指標(biāo)異常，是導(dǎo)致精液質(zhì)量下降、男性生育力降低的重要原因。因此，精液檢測(cè)指標(biāo)的增加有助于臨床更全面地評(píng)價(jià)男性精液質(zhì)量、預(yù)測(cè)男性生育力，并提出適合的治療方案或輔助生殖方案。   項(xiàng)目?jī)?nèi)容與創(chuàng)新性 在復(fù)旦大學(xué)云鋒基金的支持下，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院呂旭楠與青島復(fù)諾生物醫(yī)療有限公司合作研發(fā)了精子DNA碎片、精子誘發(fā)頂體反應(yīng)、精子線粒體膜電位、精子活性氧類物質(zhì)（包括過(guò)氧化物和超氧化物）、精子質(zhì)膜通透性等一系列用于檢測(cè)男性生育力評(píng)價(jià)新指標(biāo)的體外診斷試劑，基于流式細(xì)胞術(shù)的檢測(cè)方法，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用所需的穩(wěn)定性、便捷性、準(zhǔn)確性和高效性。 本項(xiàng)目在整體實(shí)施過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了以下創(chuàng)新： ① 計(jì)算機(jī)學(xué)科創(chuàng)新。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了三指標(biāo)均能匹配專用的數(shù)據(jù)分析軟件，經(jīng)過(guò)近千例大樣本量的算法設(shè)計(jì)和AI自我學(xué)習(xí)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了一鍵化結(jié)果分析和報(bào)告管理。不再依賴傳統(tǒng)的肉眼辨別和手動(dòng)框圖計(jì)算，減少了人為誤差，提升了結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。本項(xiàng)目軟件均已取得軟件著作權(quán)證書，結(jié)果圖示展示如下： ② 生物技術(shù)學(xué)科創(chuàng)新。本項(xiàng)目?jī)?yōu)化了染料選擇和分組設(shè)計(jì)，其中頂體指標(biāo)采用獨(dú)特的雙染法設(shè)計(jì)，規(guī)避了過(guò)去需要新鮮樣本、且樣本需要優(yōu)選的冗雜過(guò)程，更符合臨床和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的實(shí)際需求。本項(xiàng)目方法的創(chuàng)新使得原本單項(xiàng)目的檢測(cè)時(shí)間從3小時(shí)縮短至15分鐘，三項(xiàng)指標(biāo)聯(lián)檢時(shí)間20分鐘，其中手工操作僅需5分鐘，在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。這一突破從根本上解決了實(shí)驗(yàn)室因原技術(shù)手段耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)人工、操作復(fù)雜而難以開(kāi)展的技術(shù)問(wèn)題，造成臨床報(bào)告周期長(zhǎng)、受檢者取報(bào)告不便的難題。該項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新目前獲得發(fā)明專利授權(quán)。 ③ 生物技術(shù)學(xué)科創(chuàng)新。本項(xiàng)目完全采用流式細(xì)胞儀的方法進(jìn)行檢測(cè)，替代了傳統(tǒng)的熒光顯微鏡法，單樣本檢測(cè)覆蓋的細(xì)胞數(shù)量多（約5000個(gè)），降低了系統(tǒng)誤差，提高了準(zhǔn)確度，提高了自動(dòng)化程度和可重復(fù)性。   項(xiàng)目進(jìn)展與取得成效 本項(xiàng)目目前已完成科研轉(zhuǎn)化，取得醫(yī)療器械監(jiān)督管理部門的審批，獲得生產(chǎn)許可，具備臨床合規(guī)銷售的資格。市場(chǎng)推廣方面，除選擇原有的醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心作為合作伙伴外，還發(fā)起了與精子庫(kù)的聯(lián)合研究。現(xiàn)階段，本項(xiàng)目已取得以下成績(jī)： 1.臨床方面：目前，本項(xiàng)目已在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院、華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院、南京鼓樓醫(yī)院等多家三級(jí)及以上醫(yī)院開(kāi)展合作。 2.精子庫(kù)方面：本項(xiàng)目單位已與國(guó)家衛(wèi)健委出生缺陷與生殖健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成生殖健康聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，共同申報(bào)國(guó)家十四五計(jì)劃生殖健康領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目，擬對(duì)精子庫(kù)精子進(jìn)行更真實(shí)全面的篩選和評(píng)估，預(yù)計(jì)將為精子庫(kù)精子的受孕成功率提升十個(gè)百分點(diǎn)，致力于為適齡不孕不育人群解決生育難題，為可生育人群實(shí)現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育。

01. 成果簡(jiǎn)介 熒光原位雜交（Fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH）是一種以熒光標(biāo)記取代同位素標(biāo)記而形成的新的原位雜交方法。其通過(guò)雜交探針序列及其熒光，能提供標(biāo)記位點(diǎn)在細(xì)胞核內(nèi)的空間位置信息，與基于染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（Chromatin Conformation Capture，3C）等各種生物技術(shù)（如4C，5C，HiC，ChIA-PET等）互補(bǔ)，成為研究染色質(zhì)結(jié)構(gòu)不可或缺的重要技術(shù)之一。 傳統(tǒng)的熒光原位雜交技術(shù)一般以含有目標(biāo)物種來(lái)源的一段完整基因組片段作為模板，通過(guò)生物酶的作用進(jìn)行片段化，之后進(jìn)行熒光標(biāo)記做出雜交探針，再固定細(xì)胞中，通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)原理對(duì)特定的基因組片段進(jìn)行熒光標(biāo)記并成像，獲得具體的核內(nèi)空間信息。但是，傳統(tǒng)的原位雜交技術(shù)受限于模板本身的特性，具有準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、所需模板量大、基因分辨率低、克隆中含有重復(fù)片段、需要加入物種特異的Cot-1DNA等缺點(diǎn)。尤其是其分辨率低的特點(diǎn)（分辨率在百kb的數(shù)量級(jí)），讓它在應(yīng)用中受到了很大的限制。 本項(xiàng)成果提供了一種新的針對(duì)目標(biāo)核酸靶標(biāo)探針的制備方法（見(jiàn)圖1），該方法比傳統(tǒng)的FISH技術(shù)的分辨率提高了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖2），可應(yīng)用于傳統(tǒng)熒光原位雜交因分辨率不夠而不能探測(cè)、或者被錯(cuò)誤探測(cè)的地方。該成果的具體步驟（見(jiàn)圖1）包括：（1）獲取感興趣的靶DNA序列；（2）使用轉(zhuǎn)座酶將靶DNA序列進(jìn)行片段化的同時(shí)，在片段化的DNA序列兩端加上接頭序列；和（3）利用所述接頭序列，獲取所述片段化的DNA序列，以產(chǎn)生探針。本項(xiàng)成果的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：快速高效、模板需求量低、基因組分辨率高、且不需要Cot-1DNA。 圖1 探針制備方法的具體步驟。 02.應(yīng)用前景 本項(xiàng)成果是一種快速高效、模板需求量低、基因組分辨率高、且不需要Cot-1DNA的熒光原位雜交方法，可作為現(xiàn)有的傳統(tǒng)熒光原位雜交技術(shù)的可選替代方案。尤其是該方法的分辨率高，比傳統(tǒng)的FISH技術(shù)的分辨率高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖2），因此可應(yīng)用于傳統(tǒng)熒光原位雜交因分辨率不夠而不能探測(cè)、或者被錯(cuò)誤探測(cè)的很多地方。 例如，在基因組的三維結(jié)構(gòu)中，TAD（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域）是結(jié)構(gòu)和功能的基本單元。TAD內(nèi)部和TAD之間的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子發(fā)生的錯(cuò)誤的相互作用，是一些癌癥發(fā)生的根本原因。而傳統(tǒng)的FISH技術(shù)因?yàn)榉直媛实南拗疲綔y(cè)不到這些錯(cuò)誤的相互作用。因此本項(xiàng)成果在臨床有著廣泛的應(yīng)用，可以用于癌癥及一些其它疾病的極早期檢測(cè)。 圖2  相比于傳統(tǒng)的BAC FISH（圖上方綠條，長(zhǎng)度為152kb），僅用1.170 kb（紅條）長(zhǎng)的TN5探針，就可以得到要標(biāo)記的基因組位點(diǎn)的圖像。 圖中細(xì)胞核（藍(lán)色）中，紅色和綠色的點(diǎn)相互重疊，說(shuō)明Tn5 FISH可以用傳統(tǒng)的BAC FISH進(jìn)行驗(yàn)證。黃色箭頭表示用Tn5 FISH（紅色通道，左上角插入圖）或BAC- FISH（綠色通道，左下角插入圖）進(jìn)行成像。圖中比例尺為5μm。03. 知識(shí)產(chǎn)權(quán) 本項(xiàng)成果已申請(qǐng)1項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利，目前正在申請(qǐng)國(guó)際專利。04. 團(tuán)隊(duì)介紹 本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家首批千人。團(tuán)隊(duì)的主要研究方向涉及：生物信息學(xué)和基因組三維結(jié)構(gòu)新方法的開(kāi)發(fā)，利用細(xì)胞超分辨率成像、分子成像和生物信息學(xué)的方法進(jìn)行基因組三維結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)生物學(xué)的研究選。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人曾多次主持或參與美國(guó)NIH的R01科研項(xiàng)目、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金及科技部的科研項(xiàng)目，已發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文200余篇。05. 合作方式 專利許可、合作開(kāi)發(fā)。06. 聯(lián)系方式 郵箱：zhangxinrui@tsinghua.edu.cn

定量系統(tǒng)生物學(xué)是描述生命體的細(xì)胞、組織、器官以及整體水平上結(jié)構(gòu)和功能各異的各種分子（包括基因、蛋白質(zhì)、小分子代謝物等），以及分子在生命體的內(nèi)部之間、與外界環(huán)境之間的相互作用，通過(guò)精準(zhǔn)的分析測(cè)量技術(shù)、結(jié)合計(jì)算生物學(xué)來(lái)定性、定量構(gòu)建生命的數(shù)字化模型，預(yù)測(cè)生理狀態(tài)或者疾病的功能、表型和轉(zhuǎn)化的前沿科學(xué)。生命體的運(yùn)作是在基因調(diào)控下，由許許多多的生化反應(yīng)形成