近紅外小動物活體成像的相關研究

熒光（Fluorescent）是自然界的一種常見發(fā)光現(xiàn)象。當熒光物質受到激發(fā)光照射時，內(nèi)部的分子或原子吸收光子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后發(fā)出波長更長的出射光，這種出射光就是熒光。上世紀90年代中期，斯坦福大學的Chris，Pamela Contage和Beneron三位科學家利用高靈敏度的CCD相機追蹤到了活體小鼠體內(nèi)的光學信號，拉開了小動物活體熒光成像研究的序幕。

 

近些年來，近紅外（波長：700-1700 nm）熒光成像憑借組織穿透深、成像速度快、副作用小等優(yōu)點引起了科研人們的極大興趣。一般地，近紅外區(qū)域分為兩類，近紅外第一窗口（NIR-I，波長：700-900 nm）和近紅外第二窗口（NIR-II，波長：1000-1700 nm）。目前為止，大多數(shù)熒光成像研究都是在NIR-I窗口內(nèi)進行的。相較于NIR-II窗口，活體組織對位于NIR-I窗口內(nèi)的激光有更強烈的散射和吸收，這使得NIR-I窗口內(nèi)的成像質量較差。而活體組織對NIR-II窗口的激光的散射和吸收都比較低，且活體組織在此波長范圍內(nèi)的自發(fā)熒光較少，這使得NIR-II成像有著更高的空間分辨率和穿透深度。近年來，NIR-II熒光成像已成為活體成像的研究熱點（圖1）。

 

圖1：NIR-II窗口比NIR-I窗口有更弱的組織自發(fā)熒光、散射和吸收

 

現(xiàn)有的NIR-II熒光基團大多都是無機納米粒子，無機納米粒子的長期毒性和較慢的代謝速率一直是困擾科學界的一大難題。另外，由于合成條件的限制，現(xiàn)有的無機材料造影劑必須封裝在聚合物基質中，這大大的增加了熒光基團的尺寸，超過了腎臟的過濾閾值。為解決上述難題，2015年武漢大學洪學傳教授與美國斯坦福大學程震教授、戴宏杰教授合作，共同在國際頂級期刊《NatureMaterials》上發(fā)表了題為“Asmall-molecule dye for NIR-II imaging”的文章，報導了他們的研究成果。
 

圖2：CH1055-PEG的表征；（a）合成示意圖；（b）光致發(fā)光光譜；（c）吸收和熒光發(fā)射光譜；（d）光學穩(wěn)定性；（e）CH1055-PEG和IR-26的熒光光譜曲線

 

該工作合成了一種水溶性良好、可生物代謝的小分子染料：CH1055-PEG。研究表明， CH1055-PEG有較好的光穩(wěn)定性，量子效率（QuantumYield）為0.3%。與SWCNTs相比，CH1055-PEG有較高的成像分辨率，經(jīng)注射后，小鼠膀胱內(nèi)CH1055-PEG含量快速上升，這說明該熒光染料可以被迅速代謝掉，而SWCNTs則逐漸在小鼠肝臟聚集（圖3）。

 

圖3：藥代動力學圖像；（a）CH1055-PEG和（b）SWCNTs的近紅外二區(qū)圖像；（c）CH1055-PEG和（d）SWCNTs的熒光強度曲線；（e）尿液中的累計濃度和血液濃度曲線
 

為了突出NIR-II熒光成像的優(yōu)勢，作者用CH1055-PEG作為NIR-II熒光染料與ICG（吲哚箐綠）作為NIR-I熒光染料做了對比。盡管ICG的量子產(chǎn)率較高，但CH1055-PEG的信噪比更高，這會使得圖像的清晰度更高（圖4）

 

圖4：（a）注射CH1055-PEG和ICG后，小鼠腹股溝淋巴結熒光強度和自身組織背景噪音；（b）CH1055-PEG和ICG的信噪比

 

作者通過手術將U87MG細胞移植到小鼠左腦4mm深處。當腫瘤尺寸達到2-3 mm時，靜脈注射CH1055-PEG進行NIR-II熒光成像。注射6 h后，腫瘤清晰可見，T/NT為3.2（1200 LP,400 ms），24 h后，T/NT約為4.25，72 h后，T/NT最終的達到5.50（1300LP，1s）。為更進一步說明NIR-II成像有更高的分辨率，在C57BL/6小鼠的頭皮和皮膚均完好的情況下，利用ICG和CH1055-PEG分別對其進行腦血管熒光成像�？梢钥闯鯪IR-II熒光成像的清晰度要明顯優(yōu)于NIR-I窗口。（圖5）

 

圖5： CH1055-PEG和ICG對小鼠腦部血管近紅外成像圖
 

   作者將實驗對象推廣到體型更大的大鼠。由圖6看出，NIR-II熒光成像比NIR-I熒光成像有更高的分辨率，利用CH1055-PEG作為熒光染色劑對大鼠的腦部以及后肢在NIR-II進行熒光成像，可使得大鼠腦部和后肢的血管清晰可見（而ICG作為NIR-I窗口的熒光染料則無法使大鼠血管清晰可見）。

 

圖6：利用CH1055-PEG和ICG對大鼠腦部和后肢進行活體近紅外熒光成像
 

就血管成像和淋巴管成像的空間分辨率和成像深度而言，這是NIR-II熒光基團首次超過FDA批準的NIR-I熒光基團。CH1055-PEG可以在前哨淋巴結精確定位，為NIR-II成像技術提供了幫助。皮下注射CH1055-PEG后，前哨淋巴結和之前未發(fā)現(xiàn)的腫瘤一起被高保真的顯現(xiàn)出來。隨著NIR-II成像技術在學術和臨床領域的不斷擴展，對 CH1055-PEG的藥代動力學進行進一步研究是十分有必要的，以便盡早應用于臨床試驗。未來的工作將集中開發(fā)新型高量子產(chǎn)量的NIR-II小分子，并努力將其發(fā)射峰擴展到更長波長范圍內(nèi)進行分子成像以，并對腫瘤切除術進行指導和支持。
 

參考文獻

[1] Antaris A L,Chen H, Cheng K, et al. A small-molecule dye for NIR-II imaging[J]. NatureMaterials, 2016, 15(2) 235-42.