近红外二区小动物活体成像：高信噪比双成分造影剂协助肿瘤手术成像
在一些生物光学成像中，为了使特定器官或组织形成能够分辨的图像，往往会使用造影剂（Contrast Agent）。然而一般的造影剂在病灶部位聚集相对较少，反而在网状内皮系统（Reticuloendothelial System，RES，如肝脏、脾脏等）大量聚集，使成像存在较高的背景噪音，成像效果大打折扣甚至会影响诊断的结果。通过纳米粒子的高渗透长滞留效应（Enhanced Permeability and Retention，EPR）和体内组装虽然能够一定程度上提升造影剂在肿瘤、炎症部位的聚集，但网状内皮系统中的浓度仍然较高。
在此背景下，Zhao等人创新性地使用镧系元素上转移纳米粒子与近红外二区（NIR-II）纳米探针两者在体内的可控组装与分解，在提高信噪比的同时，延长了其在肿瘤部位的滞留时间。为手术的实时成像提供更为清晰、可靠的方案。
该造影剂由两部分组成：1、β-环糊精（β-CD）修饰的下转移纳米探针（DCNP@β-CD），能够在808 nm的近红外激发光照射下，产生1060 nm的近红外二区（NIR-II）荧光，进行生物成像；2、偶氮苯修饰的镧系上转移纳米粒子（UCNP@Azo），能够在980 nm的近红外激发光照射下，产生365 nm的紫外发射光，使得修饰的偶氮苯发生异构化，由较为稳定的反式（trans-isomer）转变为能量较高的顺式（cis-isomer）。当UCNP@Azo 以反式存在时，能够与DCNP@β-CD组装，形成平均粒径达485 nm的纳米簇；而当UCNP@Azo 以顺式存在时，无法与DCNP@β-CD形成稳定结合，荧光强度大大降低。
图2：在注射UCNP@Azo后10 h再注射DCNP@β-CD与同时注射两种试剂得到的a）荧光强度对比；b）信噪比对比
图3：UCNP@Azo与DCNP@β-CD实际操作方式：注射UCNP@Azo、注射DCNP@β-CD并用980 nm近红外光对作为背景的器官或组织进行照射、用808 nm近红外光成像
图4：以注射第二种制剂（DCNP@β-CD）为时间原点，在固定两种制剂的注射间隔为10 h后，于不同时间点进行980 nm近红外光照射得到的背景强度对比
在文章的最后，作者也描述了两种成分的组合将延长在机体内的滞留时间，使得能够进行手术的高信噪比窗口达到了6 h。这无疑为手术成像提供了更多潜力，相信在不久的将来，这项技术能够用于增强生物成像、治疗或其他需要在肿瘤部位聚集大量造影剂的应用领域。
参考文献：
[1] Zhao M, Li B, Wang P, et al. Supramolecularly Engineered NIR‐II and Upconversion Nanoparticles In Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging[J]. Advanced Materials, 2018, 30(52):1804982.
在此背景下，Zhao等人创新性地使用镧系元素上转移纳米粒子与近红外二区（NIR-II）纳米探针两者在体内的可控组装与分解，在提高信噪比的同时，延长了其在肿瘤部位的滞留时间。为手术的实时成像提供更为清晰、可靠的方案。
该造影剂由两部分组成：1、β-环糊精（β-CD）修饰的下转移纳米探针（DCNP@β-CD），能够在808 nm的近红外激发光照射下，产生1060 nm的近红外二区（NIR-II）荧光，进行生物成像；2、偶氮苯修饰的镧系上转移纳米粒子（UCNP@Azo），能够在980 nm的近红外激发光照射下，产生365 nm的紫外发射光，使得修饰的偶氮苯发生异构化，由较为稳定的反式（trans-isomer）转变为能量较高的顺式（cis-isomer）。当UCNP@Azo 以反式存在时，能够与DCNP@β-CD组装，形成平均粒径达485 nm的纳米簇；而当UCNP@Azo 以顺式存在时，无法与DCNP@β-CD形成稳定结合，荧光强度大大降低。
图1：UCNP@Azo与DCNP@β-CD的组装（左）与分解（右）示意图
在实际使用过程中，作者发现相对于将UCNP@Azo与DCNP@β-CD同时注射，先注射UCNP@Azo，过一段时间后再注射DCNP@β-CD得到的荧光强度更高。做系统性对比后得出结论，间隔时间为10 h时，荧光强度达到最大。图2：在注射UCNP@Azo后10 h再注射DCNP@β-CD与同时注射两种试剂得到的a）荧光强度对比；b）信噪比对比
同时，可以对作为背景的器官以980 nm的红外光进行照射，降低该器官内的荧光强度，从而提高信噪比。在文章中，作者也对何时照射980 nm近红外光进行了考察。以注射第二种制剂（DCNP@β-CD）为时间原点，在固定两种制剂的注射间隔为10 h后，分别在不同时间点，甚至多个时间点和注射间隔期内进行980 nm的红外光照射，发现在注射第一剂（UCNP@Azo）后9 h时进行照射，将最大程度提高信噪比。
图3：UCNP@Azo与DCNP@β-CD实际操作方式：注射UCNP@Azo、注射DCNP@β-CD并用980 nm近红外光对作为背景的器官或组织进行照射、用808 nm近红外光成像
图4：以注射第二种制剂（DCNP@β-CD）为时间原点，在固定两种制剂的注射间隔为10 h后，于不同时间点进行980 nm近红外光照射得到的背景强度对比
在文章的最后，作者也描述了两种成分的组合将延长在机体内的滞留时间，使得能够进行手术的高信噪比窗口达到了6 h。这无疑为手术成像提供了更多潜力，相信在不久的将来，这项技术能够用于增强生物成像、治疗或其他需要在肿瘤部位聚集大量造影剂的应用领域。
参考文献：
[1] Zhao M, Li B, Wang P, et al. Supramolecularly Engineered NIR‐II and Upconversion Nanoparticles In Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging[J]. Advanced Materials, 2018, 30(52):1804982.
锘海 SWIR 1.0 近红外二区活体荧光成像系统采用低噪声和高灵敏度的进口InGaAs CCD，结合动物气体麻醉装置及便捷的操作界面，实现实时荧光信号成像。通过镜头切换，可分别完成宽场和局部放大成像，具有非常高的荧光信号采集能力。超高帧频不仅可以实现单幅图片采集，更可以完成视频拍摄，帮助您捕获整个实验过程。
锘海-近红外二区小动物活体成像系统
点击以下链接，查看往期回顾
近红外二区小动物活体成像 —— 呼吸速率监控
近红外二区小动物活体成像 —— 稀土纳米颗粒协助肿瘤切除手术
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