圖1：近紅外I與近紅外II：分辨率與穿透深度。圖片和圖表由斯坦福大學Dominik J. Naczynski博士提供，改編自Lim， Y.T.等人《Mol成像》。(2003)第2頁，第50頁。隨著全球許多研究團隊正在開發(fā)和評估適合小動物成像的新型NIR-II探針，科學家們現(xiàn)在開始更多地關(guān)注疾病檢測、形態(tài)學和藥物檢測在人體患者的臨床應(yīng)用。

介紹

紫外線、可見光和近紅外I檢測方法已在各種科學和醫(yī)學領(lǐng)域使用數(shù)十年。然而，這些方法各有局限性。例如，紫外和可見光波長的光通過硅基CCD技術(shù)很容易被檢測，但由于反射和散射，無法穿透樣品。

新型CCD相機能夠探測從750納米到近1100納米的近紅外-I波長，從而實現(xiàn)對樣品的輕微穿透。不幸的是，超過這個閾值硅對光是透明的。此類CCD攝像機在藥物發(fā)現(xiàn)應(yīng)用中的應(yīng)用有限。

近紅外二窗波長范圍可達1700納米，實現(xiàn)了更深的樣品穿透(見圖1)。在InGaAs和InSb探測器的推動下，近紅外II(又稱短波紅外或SWIR)開辟了科學和醫(yī)學應(yīng)用的新領(lǐng)域。

圖1：近紅外I與近紅外II：分辨率與穿透深度。圖片和圖表由斯坦福大學Dominik J. Naczynski博士提供，改編自Lim， Y.T.等人《Mol成像》。(2003)第2頁，第50頁。隨著全球許多研究團隊正在開發(fā)和評估適合小動物成像的新型NIR-II探針，科學家們現(xiàn)在開始更多地關(guān)注疾病檢測、形態(tài)學和藥物檢測在人體患者的臨床應(yīng)用。

NIR-II 熒光內(nèi)鏡用于結(jié)直腸癌成像

最近，中美兩國的一支多學科合作研究團隊設(shè)計、構(gòu)建并描述了一種內(nèi)鏡系統(tǒng)，用于對結(jié)直腸癌進行靶向紅外II熒光成像[1]。團隊利用新型NIR-II內(nèi)鏡成像系統(tǒng)評估合成熒光分子探針——哆氰酸綠色(ICG)結(jié)合貝伐單抗(Bev-ICG)，該探針靶向血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，這是一種在大多數(shù)結(jié)直腸癌中過度表達的重要生物標志物。

該研究由遼寧沈陽東北大學分子醫(yī)學聯(lián)合實驗室劉洪光博士的研究組主導，部分資金來自中國自然科學基金會、遼寧省級醫(yī)院臨床能力建設(shè)項目及中國博士后科學基金資助。

研究人員指出，雖然內(nèi)鏡是檢查中空器官或體腔內(nèi)部的臨床金標準，但他們是首個報告使用近紅外II熒光內(nèi)鏡進行結(jié)直腸癌靶向檢測的專家。其創(chuàng)新的內(nèi)鏡成像系統(tǒng)能夠同時獲取和顯示白光(WL)和近紅外二型熒光，在近紅外二區(qū)實現(xiàn)20微米的亞細胞分辨率，實現(xiàn)清晰圖像。使用Teledyne Princeton Instruments的科學InGaAs相機進行結(jié)直腸腫瘤生物標志物的實時、非侵入性體內(nèi)近紅外II成像(見圖2)。

圖2：代表性腫瘤的同時進行白光和熒光圖像。(a， b)白細胞中可見的腫瘤熒光明顯增加。(c， d) 代表性腫瘤圖像，這些圖像在白光影像中容易被忽略，但在熒光成像中卻很明顯。圖片由劉洪光博士提供(東北大學分子醫(yī)學聯(lián)合實驗室，遼寧沈陽，中國)。首次發(fā)表于Adv.Healthcare Mater。2019, 1900974.

與使用可見光激發(fā)的近紅外I型熒光成像不同，近紅外II熒光成像的激發(fā)波長通常處于(不可見的)近紅外I范圍。因此，傳統(tǒng)的內(nèi)鏡成像過程無需中斷即可收集NIR-II熒光數(shù)據(jù)。NIR-II熒光圖像可以與白光成像同步生成和顯示，使研究人員能夠?qū)崟r通過熒光探針可視化組織形態(tài)和分子特征。未來利用具有更強熒光發(fā)射的分子探針應(yīng)用于NIR-II區(qū)域，預(yù)計將進一步提升NIR-II內(nèi)鏡系統(tǒng)的組織特性識別靈敏度。

從設(shè)計上講，新系統(tǒng)可以輕松適應(yīng)配備標準聯(lián)結(jié)器的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。研究人員預(yù)計，類似的硬件升級將極大促進近紅外II熒光成像在臨床環(huán)境中的應(yīng)用。

循環(huán)系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)的近紅外二型熒光成像

鄭振博士是斯坦福大學放射學副教授，是上述NIR-II內(nèi)鏡系統(tǒng)合作研究團隊成員。程博士在斯坦福的實驗室致力于開發(fā)新型分子成像探針和技術(shù)，實現(xiàn)癌癥及其轉(zhuǎn)移早期的無創(chuàng)檢測。

Cheng博士研究開發(fā)的技術(shù)使得對癌癥的分子、代謝和生理特征及其治療反應(yīng)進行了深入考察。他的實驗室鑒定了具有重要臨床意義的新型癌癥生物標志物，開發(fā)探針制備的新化學方法，并驗證了利用近紅外II熒光成像進行高通量探針篩選的新策略[2-6]。

在最近的一項項目中，程博士及其同事對循環(huán)系統(tǒng)進行了體內(nèi)成像，比較了實驗室設(shè)計并裝載生物相容性人類血清白蛋白(HSA)以提升量子產(chǎn)率的多種近紅外二型有機小分子探針CQ-T(CQ-1-4T)。實驗記錄了發(fā)射光譜、量子產(chǎn)率以及使用Teledyne普林斯頓儀器的InGaAs相機的體內(nèi)近紅外II圖像(見圖3)。

圖3：體內(nèi)腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)的體內(nèi)近紅外II成像及手術(shù)導航。(A-C)在體內(nèi)對患有異種移植骨肉瘤的裸小鼠進行體內(nèi)NIR-II熒光成像，分別在靜脈注射CQL后10分鐘內(nèi)記錄。(d)高倍率(c)和紅色箭頭顯示了豐富的不規(guī)則分支和腫瘤支持血管的毛細血管網(wǎng)絡(luò)。(e， f)使用了患有股骨正位骨肉瘤的裸鼠，并在CQL注射后不久切開腫瘤周圍皮膚。腫瘤血液供應(yīng)分支(紅箭頭)從股動脈暴露。(G-J)采用血管夾法，通過結(jié)扎和切除腫瘤支持血管分支，誘導主要腫瘤支持血管的暫時阻斷。黃色箭頭表示血管夾具引起的栓塞。(k)腫瘤轉(zhuǎn)移的血液供應(yīng)，源自腹動脈(紅色箭頭)及血管夾誘導栓塞(黃色箭頭)。(l)結(jié)扎和解離的正位骨肉瘤及轉(zhuǎn)移的體外NIR-II影像。比例桿：4.0毫米。圖片由斯坦福大學鄭鄭博士提供。首次發(fā)表于《Adv. Funct》雜志。Mater。2019, 1906343.

在評估的探針系列中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種CQL(CQ-4T/HSA)，其光學性能優(yōu)越，熒光率比單純小分子高出6.65倍。配合無創(chuàng)、非輻射的近紅外II成像方式，CQL使得在體內(nèi)可視化和監(jiān)測循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)的生理和病理過程(包括血栓、周圍動脈疾病、腫瘤血管生成和淋巴引流)實現(xiàn)了多功能成像。

在NIR-II影像導航手術(shù)中，CQL能夠幫助醫(yī)生更準確地實施腫瘤和哨兵淋巴結(jié)活檢的干預(yù)，且副作用更少。研究人員總結(jié)指出，高分辨率、優(yōu)異的生物相容性和良好的體內(nèi)表現(xiàn)使CQL成為未來臨床前應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化的有前景候選。

程博士實驗室的另一項近期研究探討了基于DSPEmPEG封裝稀土摻雜納米顆粒RENPs@DSPE-mPEG，該粒子對骨骼具有固有親和力，但不連接任何靶向配體[見圖4]。

圖4：C57BL/6小鼠(n=3)骨在NIR-IIa 1345納米(1250納米長通濾波片，曝光時間1000毫秒)窗口(a、b、c)及相應(yīng)CT成像(d、e、f)中近紅外二次成像。比例尺：10毫米。圖片由斯坦福大學鄭鄭博士提供。首次發(fā)表于Nano。20195月8日; 19(5):2985-2992.

這種非侵入性、非放射的骨骼系統(tǒng)定位和骨病診斷策略同樣適用于血管和淋巴結(jié)。值得注意的是，RENPs@DSPEmPEG可被循環(huán)白細胞內(nèi)化，這可能提高免疫治療中的納米顆粒遞送效率，并提升癌癥靶向納米顆粒在臨床應(yīng)用中的診斷和治療效果。

賦能技術(shù)

Teledyne Princeton Instruments 的 NIRvana? 系列 InGaAs 相機通過多項科學性能特性區(qū)別于其他 InGaAs 相機，包括深度冷卻、低暗噪聲、高線性度、低讀數(shù)噪聲、高幀率、智能軟件以及對積分時間的精確控制。

首先，無需維護的熱電冷卻(非液氮)能將NIRvana 640相機的InGaAs探測器冷卻至-85°C。 這種深度冷卻結(jié)合了專有的冷屏蔽設(shè)計和真空技術(shù)，以實現(xiàn)最低的暗噪聲，這有助于提高靈敏度并保持信噪比(SNR)以適應(yīng)長時間曝光。

NIRvana 640相機的曝光時間可短達2微秒，最長可達幾分鐘。超低噪聲讀出電子設(shè)備確保即使在攝像機最高110幀/秒運行時也能保持良好的信噪比。此外，出色的相機線性度使其在醫(yī)學研究中極為可靠。

Teledyne Princeton Instruments的64位LightField?軟件作為選裝，提供強大且易用的界面，使研究人員能夠隨時掌握實時在線處理能力。NIRvana相機也可以通過現(xiàn)有的國家儀器LabVIEW?工具包集成到更大型的實驗中。提供與外部設(shè)備同步的完全觸發(fā)支持。

審核編輯 黃宇