紅外二區(qū)生物熒光成像的臨床轉(zhuǎn)化思路：近紅外一區(qū)花菁染料的再利用（下篇）

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本文要點：本文作者系統(tǒng)研究了主發(fā)射峰位于近紅外一區(qū)（NIRⅠ700-900nm）的生物相容性花菁染料的尾發(fā)射區(qū)域（>1000nm），篩選出的NIR染料在NIR-II區(qū)域具有明亮的尾發(fā)射，并具有高量子產(chǎn)率、高摩爾消光系數(shù)、排泄速度快和適用于生物偶聯(lián)的官能團，從而可用于多種生物模型NIR-II實時成像，有望促進NIR-II生物成像的臨床轉(zhuǎn)化。

對染料進行了NIRⅡ尾發(fā)射機理研究后，作者在動物模型上進一步驗證他們的設想：以5mg/Kg的劑量給CD-1小鼠靜脈注射IR-12N3，幾分鐘內(nèi)肝臟便出現(xiàn)強烈的熒光信號，隨著時間推移熒光信號出現(xiàn)在腸道，表明了探針具備快速肝膽清除的特性（圖3a），盡管IRDye800可以有效通過腎臟清除，皮膚和正常組織對其的高攝取限制了它在血管成像中的有效性。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，IR-12N3的皮膚和組織攝取比IRDye800低，因此血管成像質(zhì)量會更高（圖3b&c），計算得出的血漿清除半衰期為0.2h（圖3d），注射24h后的生物分布實驗則顯示除肝臟外，其他器官的分布極低，80%以糞便排泄至體外（圖3e&f&g），此外小鼠兩周內(nèi)體重變化與對照組無差別（圖3h），血象檢測結(jié)果也顯示各血細胞亞型與正常小鼠相比無明顯差異，綜合以上證明了該探針優(yōu)異的生物相容性和安全性。

圖3：a）小鼠注射IR-12N3后24h內(nèi)成像圖；b）小鼠注射IRDye800后不同時間點成像圖；c）IR-12N3不同時間點在肝臟、腸道和皮膚的熒光分布曲線；d）10h內(nèi)的血漿濃度-時間曲線；e）小鼠糞便的熒光強度-時間曲線；f，g）注射IR-12N3第8h的器官成像圖；h）注射IR-12N3兩周內(nèi)小鼠體重變化曲線。

NIRⅡ區(qū)域可實現(xiàn)高分辨血管成像，因此作者考察了在不同波長范圍下的成像效果，如圖4a所示，在不同波長下，越紅的波長（1300LP）可以獲得更加細微的成像信息，使得血管成像在近紅外二區(qū)的分辨率大大提高（圖4b），而腦血管由于顱骨的存在對成像要求更高，作者隨后對小鼠進行無創(chuàng)腦血管成像，如圖4c所示，在850-900nm區(qū)域幾乎看不到任何血管，而使用1300LP后，大腦下靜脈、淺靜脈、上矢狀竇和橫竇可被清晰地分辨開來，此外還可以通過實時成像檢測小鼠的呼吸速率（圖4e）。作者還對比了NIRⅠ區(qū)和NIRⅡ區(qū)的淋巴結(jié)成像，如圖4f-h所示，腘淋巴結(jié)（圖4f）、腘淋巴結(jié)和骶淋巴結(jié)（圖4h）以及腰淋巴結(jié)（圖4i）在NIRⅠ區(qū)和NIRⅡ區(qū)成像對比表明了NIRⅡ的分辨率更高，可分辨出相鄰淋巴結(jié)，而NIRⅠ區(qū)卻幾乎分辨不出。

圖4：a）不同NIR II長通濾光片下注射IR-12N3不到2分鐘內(nèi)的成像圖；b）在NIR I和NIR II窗口中后肢的熒光截面強度分布圖；c）在不同的NIR II長通濾光片上注射IR-12N3后小鼠腦血管成像對比圖；d）NIR I / II窗口中腦血管的熒光截面強度分布圖；e）錄制的腦血管成像視頻可用于計算小鼠的呼吸速率；f）在NIR I和NIR II窗口使用IR-12N3進行淋巴結(jié)成像；g）NIR I和NIR II窗口中腘淋巴結(jié)的橫截面強度分布；h）分別在850nm和1200 nm長通濾波片下對腘淋巴結(jié)和骶淋巴結(jié)淋巴結(jié)成像；i）將100μg IR-12N3注入兩個腳墊后，在NIR I / II窗口進行腰淋巴結(jié)成像；j）NIR I和NIR II窗口中腰淋巴結(jié)的熒光橫截面強度分布圖。

后作者將IR-12N3通過點擊反應與西妥昔單抗偶聯(lián)，賦予分子腫瘤靶向性，實現(xiàn)了腫瘤靶向成像，如圖5c所示為體外細胞靶向?qū)嶒?，鱗狀癌細胞（SCC）在800-1000nm下幾乎無法分辨，而在1000-1500nm下可以看到探針特異性靶向EGFR表達豐富的癌細胞，隨后作者將該探針注射入荷瘤鼠體內(nèi)，圖5d顯示了注射后24h，探針在腫瘤區(qū)域大量富集，而其他主要器官則幾乎沒有熒光，在NIRⅠ區(qū)和NIRⅡ區(qū)成像的腫瘤/正常組織信噪比分別約為4和10（圖5f），168h后體外器官成像顯示，腫瘤熒光依舊很高（圖5g），而對照組探針（IR-FGP）在168h后腫瘤幾乎無信號（圖5i），其腫瘤/肝臟信號比僅為IR-12N3的1/6（圖5j）。綜合來看，NIRⅡ區(qū)成像相比于NIRⅠ區(qū)顯示出巨大的優(yōu)勢，然而開發(fā)大于1000nm發(fā)射的高量子產(chǎn)率的熒光探針依舊面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其是大于1300nm波段，光散射進一步減少從而更加有利于深層組織成像，此外作者認為，“可激活”型探針也同樣為目前NIRⅡ區(qū)探針起到了補充作用。

參考文獻

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紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

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高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

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多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

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 恒光智影

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