近红外二区小动物活体成像应用 | 研发X光激发的NIR-II余辉发光材料

背景介绍

传统的荧光（Fluorescence）组织成像，是将成像组织置放于不断发射特定波长的光源照射下进行。受同一个光源照射影响，周围的组织自体同样会产生荧光，称为背景荧光。背景荧光的存在将使得信噪比下降，不利于对目标组织进行成像。因而近几年，科研工作者开始寻求一种新的发光成像——余辉发光（Persistent luminescence）。

余辉发光是物体在照射光源并撤去光源后，持续发光的现象。因为发光时不再接受光源照射，因而在应用于组织成像时，能够减少自体荧光背景的影响，提高信噪比（图1）。

图1 荧光和余辉发光的原理对比图（蓝色箭头为激发光；绿色箭头为散射光；红色箭头为发射光；褐色箭头为背景荧光。强度可参考箭头粗细）

尽管余辉发光有如此明显的优势，目前涉及的材料仍有以下几个问题：1、材料主要为大型晶体，涉及高温的合成环境并缺乏纳米结构和表面性质上的可调性；2、材料成像多为可见光和NIR-I，成像深度有限；3、激发材料发光的波长多为可见光或紫外，能量低，不利于材料能量富集；4、一些可富集高能量的由X光激发的材料所发射的波长在可见光和NIR-I范围内，成像深度同样有限。

材料研发

针对以上问题，Peng Pei等人通过在NaGdF4、NaGdF4纳米粒子中加入镧系元素掺杂剂，成功合成出了X光激活的余辉发光纳米粒子（Persistent luminescence nanoparticles，PLNPs）。通过调整加入的元素种类，使得PLNPs具有可调谐性，且均在NIR-II波段内（图2）。

图2 通过掺入不同的稀土元素（Er、Tm、Ho、Nd）调整纳米粒子在NIR-II波长段的发射波长

材料优化

文章中涉及的主体材料有NaYF4、NaGdF4 两种，因而可优化的方向较多。作者首先将作为主体的NaGdF4、NaGdF4 同时应用于一个纳米粒子中，形成壳核结构。之后对纳米粒子的掺杂剂浓度、核体积、壳厚度、结晶相（Crystalline phase）、主体基质（Host matrix）等性质进行的考察。其中对于主体基质，作者发现壳核使用同一种主体材料（NaYF4或NaGdF4）将获得更高的纳米粒子发光强度。这可能是由于同一种主体材料原子大小相同，使得晶体的缺陷（Defect）更少。

体内成像

优化后的Er-PLNPs进行了小鼠的腹部血管成像和输尿管成像测试。在腹部血管成像测试中，相对于荧光成像，余辉发光成像获得了更高的肿瘤/正常组织亮度比（T/N ratio），尤其在注射后的5 min时，可达到荧光成像信噪比的3.7倍。而在输尿管成像测试中，作者在小鼠肾盂部位注射后，肾盂、输尿管和膀胱都能够在NIR-II成像中观察到，其T/N比相对于荧光成像达到了4.1倍。

图3 余辉发光纳米粒子（上）与荧光纳米粒子（下）分别在注射后 5、10、20 min 得到的NIR-II成像

图4 余辉发光纳米粒子（红）与荧光纳米粒子（蓝）注射后的肿瘤与正常组织信号强度比（T/N ratio）

小结

凭借可调谐的NIR-II成像波长、高信噪比、高分辨率、低细胞毒性等特点，Peng Pei等人的成果大大拓展了现有X光激发的余辉发光材料的种类和应用场景。但同时，发光效率仍有待提高，降低用于激发的X光剂量使其达到安全门槛也是今后拓展研究的重要方向。

参考文献

[1] Pei, P., Chen, Y., Sun, C. et al. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol. 16, 1011–1018 (2021).

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 红外探测器，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。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

往期推荐：

● 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

● 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

在生物成像和光诊疗学领域，通过对材料的结构调整以控制其光学性质是探索新材料，发现新应用的重要且常见方式。贵金属就是其中较为主要的一类原料，但通常的贵金属材料存在两个明显缺点：一、激发波长通常落在可见光和近红外一区（NIR-I，700 – 1000 nm），这使得成像的深度降低，同时无法与组织发生明显的作用；二、该类材料通常不具备激活功能（即始终在线，Always-on），使得难以从成像中分辨目标和其他无关组织，同时可能会存在未知副反应。

在这样的背景下，作者Chunyu Zhou等人将目标放在更高信噪比、更大成像深度的近红外二区（NIR-II，1000 – 1700 nm），开发能够对肿瘤微环境进行响应的贵金属纳米材料。该材料以金纳米粒子（Gold nanoparticles，AuNPs）为主体（见图1），在乙醇和水的混合体系中使其形成纳米链（Nanochain）。之后引入Tetraethyl orthosilicate，（TEOS），水解后包裹金纳米链，形成核鞘结构（Core-sheath nanostructure，AuNCs@SiO2）。注射至小鼠体内后，因肿瘤微环境（Tumor microenvironment，TME）中高H2O2水平触发邻近金纳米颗粒在AuNCs@SiO2的有限局部空间内融合，从而产生了具有强NIR-II吸收的串状结构。

图1：AuNCs@SiO2作用示意图

因AuNCs@SiO2具有TME激活特性，因此不容易受其他组织的影响，表现出优异的光声成像性能（图2）。

图2：正常组织与肿瘤组织的超声、光声成像对比

同时，AuNCs@SiO2在1064 nm处光热转换效率高达82.2%（图3），可导致癌细胞严重死亡，显著抑制肿瘤生长（图4、5、6）。

图3：AuNCs@SiO2与其他已报道的光热治疗试剂的转换效率对比：1) AuNCs@SiO2; 2) Au3Cu@PEG TPNCs; 3) Au-wires-on-AuNR; 4) Pt Spiral; 5) Cu2MnS2 NPs; 6) Nb2C (Mxene); 7) Cu3BiS3 NRs; 8) L-Pdots; 9) TBDOPV-DT NPs; 10) SPN-DT

图4：注射PBS和AuNCs@SiO2的荷4T1瘤小鼠光热红外热成像（1064 nm NIR-II激光，0.5 W/cm2）

图5：注射PBS和AuNCs@SiO2后，肿瘤部位温度与照射时长的变化趋势

图6：接受相应治疗后的小鼠肿瘤大小对比（I：PBS；II：AuNCs@SiO2；III：PBS+Laser；IV：AuNCs@SiO2+Laser）

总结：作者成功合成出具有TME响应的、同时具有光声成像和光热治疗功能的二氧化硅包裹自组装金纳米链。通过TME中高浓度H2O2水，使金纳米粒子表面柠檬酸氧化，进而脱离纳米粒子表面，导致金纳米粒子融合，产生强NIR-II吸收。这一新型材料或许能够为准确非侵入性诊疗打开新的大门。

美国PhotoSound 小动物3D光声/荧光成像系统 (PAFT)

美国PhotoSound小动物全身3D光声/荧光成像系统(PAFT)为小动物活体成像和表征提供了完整的解决方案。该系统集成了三种互补的三维成像模式：光声成像(PAT)、荧光成像(FMT)、生物发光成像(BLT)，可同时实现小动物的3D光声、3D荧光和3D生物发光成像,该系统可为生物组织提供高分辨率、高对比的解剖学成像效果。

可实现近红外一区和近红外二区（670-2600 nm）小鼠全身3D光声/荧光成像系统，采用OPO可调式激光器，提供670-2600 nm连续脉冲激光、完全3D光声成像(具有100 um等向分辨率的完全三维成像，非切片叠加成像)、高通量 (256个电子通道)、灵敏度高(60 nM ICG )、桌面式设计，方便使用、成像速度快 (完成一次3D扫描需30秒)。

往期回顾

● 美国PhotoSound小动物全身3D光声/荧光成像系统

● 小鼠解剖应用笔记 —— 美国PhotoSound小动物全身3D光声/荧光成像系统

● 光声成像应用 | 探寻动脉粥样硬化斑块