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苏州纳米所王强斌JACS展望:从材料到仪器,一文道明NIR-ll荧光未来之路!
2020-08-26| 文章来源:纳米人| 【

  荧光成像已成为生物医学应用的基本工具,然而,其在常规波长范围(400-950nm)内的活体成像能力受到组织穿透能力的限制。为了应对这一挑战,在过去的十年中,近红外II区荧光(NIR-II,1000-1700nm)成像方式被开发出来,以实现更高的组织穿透深度和时间、空间分辨率。近日,中国科学院苏州纳米技术王强斌研究员在Journal of the American Chemical Society杂志上撰写了展望,回顾了近红外II区荧光成像技术的发展历程;考察了在开发新型近红外荧光团和兼容成像设备方面的最新发现和挑战;强调了用近红外II区荧光成像这种尖端成像技术进行在生物成像、生物传感和影像指导的疾病精准诊疗一体化等生物医学研究的最新进展及需要解决的关键问题;最后,在已有代表性研究成果的基础上,展望了近红外II区荧光成像技术在未来的主要研究方向,并对近红外成像技术在生物医学领域的发展提出了建议和展望。 

  荧光成像技术原理: 

  获取荧光信号在很大程度上依赖于光子与生物组织之间的相互作用,如反射、吸收、散射和自体荧光(图1a)。传统荧光成像中用于激发和发射的波长主要位于可见光范围(400-650nm),生物组织诱导的显著吸收、散射以及自发荧光干扰导致组织穿透力极低(<3 mm),导致生理和病理信息丢失。 

  生物组织透明窗的发现和近红外(NIR)技术的发展为活体荧光成像提供了令人兴奋的前景。波长从650到950 nm是第一个确定的生物组织透明窗口(NIR-I窗口),由于光子吸收、散射和自荧光的降低,与可见光相比,它显示出显著增加的组织穿透力。经美国食品和药物管理局(FDA)批准的NIR-I荧光染料吲哚青绿(ICG)和亚甲基蓝(MB)在临床诊断和干预方面做出了重大贡献,尤其是在眼底血管造影和淋巴造影方面。尽管如此,在NIR-I区域实现毫米级的组织穿透仍然难以满足实际应用的多层次和多样化要求。为此,科学家们重新研究了光子与生物组织之间的相互作用,并进行了探索性研究。 

  2009年,斯坦福大学的一项开创性工作揭示了一个新的生物成像窗口,通常称为NIR-II窗口(1000-1700nm)(图1b),在活体生物成像中显示出优越的性能。与NIR-I区相比,NIR-II区中光子对水的吸收更强(图1c)。但是,减少的组织散射和超低的自体荧光(波长大于1500 nm时几乎为零背景)发挥了主要作用(图1d,e),使探测深度、分辨率和灵敏度得到前所未有的提高。从各个方面考虑,进一步优化为光学窗口NIR-IIa(1300-1400 nm)和NIR-IIb(1500-1700 nm)。 

 

  图1. 荧光成像技术原理图。 

  近红外II荧光团及近红外II区荧光荧光成像系统: 

  这种新的生物组织透明窗的出现引起了化学、材料科学和生物学领域的广泛兴趣。近十年来,基于有机、无机和杂化材料体系的近红外荧光团的设计和构建取得了很大的进展。具有代表性的荧光材料,包括单壁碳纳米管(SWCNT)、量子点(QD)、稀土掺杂纳米颗粒(RENPs)、基于半导体聚合物的纳米颗粒(SPNP)、小分子染料(SMD)、和聚集诱导发射发光材料(AIEgens)等,大大扩展了目前可用于生物医学应用的荧光团(图2箭头上层)。  

  NIR-II荧光成像系统是荧光生物成像的另一个不可或缺的元素,因为它可以有效地从NIR-II荧光团中收集NIR-II发射信号,从而提供精确的解剖、功能和分子图像。先前生物医学领域的荧光成像研究主要集中在可见光区域,在可见光区域可以使用具有高量子效率的光电探测器。但是,这种基于硅的探测器在波长> 1000 nm处显示出超低的量子效率,这使其不适用于NIR-II成像。基于带隙较窄的半导体合金的短波红外(SWIR)摄像机(如InGaAs和HgCdTe)的出现使NIR-II成像成为可能。近红外II区荧光成像设备的发展历程见图2箭头下层。 

 

  图2. NIR-II区荧光探针和成像设备的发展历程。  

  NIR-II荧光成像在生物医学中的应用: 

  随着新型NIR-II荧光团和成像仪器的发展,NIR-II成像已成为生物医学研究的有力工具。基于NIR-II成像的生物医学研究主要包括生物成像、生物传感和热疗应用等。 

  (1)NIR-II生物成像: 

  活体组织结构成像 

  近红外-Ⅱ成像由于其组织穿透深度深,空间分辨率高,是活体组织精细结构成像的一种很有前途的方法,如血管系统、淋巴系统和肿瘤,NIR-Ⅱ探针的光化学稳定性高、血液循环时间长,在血管成像中具有许多优点。中科院苏州纳米所王强斌研究员团队在国际上率先提出Ag2S量子点体系的近红外II区荧光性质,并用来进行活体组织结构成像。别的课题组也利用上述荧光团进行NIR-II活体组织结构成像(图3a-d)。   

  功能成像: 

  NIR-Ⅱ成像除了能描绘深部组织的精细结构外,也是分析细胞和组织功能的有力工具。目前,实时监测血流和心率是NIR-Ⅱ功能成像最重要的应用(图3e)。由于NIR-Ⅱ成像具有良好的时间分辨率,在各种心血管疾病的诊断和评价中具有潜在的应用前景。 

 

  图3. 使用NIR-II发射荧光团用于生物成像范例。    

  (2)NIR-II生物传感: 

  近年来,NIR-II成像研究的另一个重要进展是用于生物传感的可激活NIR-II荧光团的开发。可激活的NIR-II荧光团可以根据特定的微环境参数改变其荧光强度或发射波长,因此,显示出更高的信号背景比,更高的灵敏度,和更好的特异性。NIR-II荧光团可以感知活性氧物种(ROS)、活性氮物种(RNS)、活性硫物种(RSS)、温度、气体、pH或特定酶,为分子水平上破译细胞和组织的生物活性提供了可能性。   

  ROS、RNS、RSS传感: 

  生物体内氧化还原环境的不平衡与许多疾病的发生和发展有关,如癌症、组织损伤、感染等。目前,已开发出几种NIR-II荧光基团来监测生物体内的氧化还原状态,包括ROS、RNS和RSS(图4a)。 

  温度传感: 

  温度是生物体最重要的生理参数之一。PbS/CdS/ZnS量子点的发射强度变化与相关,因此,为检测深层组织中的生物温度提供了可能(图4b)。  

  气体传感: 

  生物气体,如硫化氢(H2S)和一氧化氮(NO),与许多病理过程有关。因此,开发了具有NIR-II发射的生物气体活化比率荧光纳米探针,可以在体内准确识别动物模型中的肿瘤或者炎症中的生物气体水平(图4c)。    

  pH传感: 

  pH是生物体重要的生理参数,pH异常也可作为疾病诊断和治疗的病理微环境特征。最近,研究人员还开发了用于体内pH传感的NIR-II探针用于活体胃pH值的测量,并在高达4mm的深度显示出良好的测量精度(图4d)。 

  酶传感: 

  基质金属蛋白酶(MMP)、硝基还原酶(NTR)、碱性磷酸酶(ALP)、半胱天冬酶(caspases)等在内的酶被广泛用于激活荧光探针和报告病理过程。目前,已开发出几种酶可激活的NIR-II探针用于肿瘤检测(图4e)。 

 

  图4. 使用NIR-II发射荧光团用于生物传感范例。    

  (3)NIR-II成像引导的治疗: 

  近几十年来,近红外成像技术极大地促进了荧光成像技术在生物组织结构和功能成像以及疾病早期检测方面的应用。同时,由于NIR-II光在活体组织中的低吸收、低散射特性,也为疾病的精确治疗提供了新的工具。基于近红外II区荧光团的“可视化”生物医学研究技术平台,在活体水平实现了高组织穿透深度(>1.5 cm)、高时间分辨率(~30 ms)和高空间分辨率(~25 μm)的原位、实时成像,因此,可以建立针对肿瘤诊疗、药物筛选、干细胞再生医学和脑科学的精准“可视化”研究新策略。目前,一系列基于NIRII的治疗策略,包括NIR-II成像引导的细胞治疗、手术、药物递送/释放监测、PDT/PTT等,在疾病的精准治疗方面显示出许多优势。  

  NIR-II成像引导的细胞治疗: 

  细胞疗法,包括干细胞疗法和免疫细胞疗法,在治疗癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等一系列不治之症方面显示出巨大的潜力,正在给现代医学带来一场革命。近几年来,NIR-II成像已成为干细胞追踪、探索细胞治疗机制、指导精确细胞治疗的有力工具,可以在NIR-Ⅱ窗口中对移植干细胞进行全身跟踪(图5a)。    

  NIR-II成像引导的药物递送/释放: 

  药物的靶向给药和精确释放是精确医学领域的主要挑战。NIR-II成像技术为药物释放和释放的体内监测提供了一种很有前途的工具,从而促进了药物的开发和优化(图5b,c)。 NIR-II成像引导的手术: 

  目前,外科手术是治疗实体瘤最常用的策略。由于其无创性和高时空分辨率,术中光学成像已被广泛用于帮助外科医生快速、准确地进行手术。近年来,NIR-Ⅱ成像引导手术方法在动物研究和临床应用中极大地提高了肿瘤手术的准确性、敏感性和特异性(图5d)。 

  NIR-II成像引导的PDT/PTT: 

  光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT)是一种无创、远程可控、特异性强的肿瘤治疗策略,活体成像技术能清晰显示肿瘤的位置和边界,在光疗中对指导肿瘤的精确定位具有重要意义(图5e)。 

 

  图5. 使用NIR-II成像引导的治疗范例。    

  小结: 

  自NIR-II荧光成像概念首次提出以来的十年中,各种NIR-II荧光团和兼容的宏观、中观和微观成像仪器相继问世,为生物医学应用提供了强有力的工具。然而,这种尖端的成像技术还处于相对早期的发展阶段,在临床前研究和临床实践中大量应用之前,还需要解决一些关键问题,加快推进近红外II区荧光影像技术的临床应用。  

  对于NIR-II荧光团:鉴于其生物应用,首先和最重要的问题是NIR-II荧光团的生物安全性。必须具备优异的光学性能、方便的功能化和良好的相容性。同时,还应考虑开发新的内源性标记策略。 

  对于NIR-II成像系统:由于生理和病理过程的复杂性和动态变化特点,应该从不同的空间和时间尺度对其进行评估。尽管成像设备领域取得了长足的进步,但仍有许多重要问题需要进一步解决。由于生物体的复杂性和动态变化的特性,需要开发NIR-II实时多通道成像系统、NIR-II活体内窥镜成像系统及NIR-II荧光成像结合其他成像技术,如MRI和CT,NIR-II成像系统,以加快推进近红外II区荧光影像技术的临床应用。 

  对于NIR-II成像的未来应用随着新型NIR-II探针和NIR-II成像系统的发展,NIR-II成像已成为活体检测深部组织结构和功能以及指导精确治疗的有力成像工具。在未来,我们相信NIR-II成像将有助于广泛的基础和临床研究。 

  (1) 对于肿瘤学研究,NIR-II成像为肿瘤的三维结构、血管分布、血流和动态免疫细胞浸润过程提供了可能。进一步发展多种内源性和外源性NIR-II探针的多光谱成像方法,将为全面分析肿瘤的发生、发展和转移提供一种独特的工具,从而为肿瘤的精确诊断和治疗提供理论依据。 

  (2) 在再生医学领域,非侵入性NIR-II成像也将在探索胚胎和器官的发育过程以及干细胞的谱系和命运等基本生物学问题方面发挥重要作用。由于传统的荧光不能穿透活体组织原位报告胚胎发育,因此活哺乳动物复杂的胚胎发育过程尚未完全阐明。由于NIR-II成像的深入组织渗透性,多光谱NIR-II成像结合细胞谱系追踪技术可以观察活体胚胎的发育动态,包括血管生成、神经发生和器官发生。 

  (3)对于神经科学研究,NIR-II成像也有着广阔的应用前景。例如,对膜电位敏感的NIR-II探针的进一步开发,可能提供一种以亚毫秒时间分辨率和亚细胞空间分辨率同时监测深部组织中大量神经细胞群体的神经活动的可能性。此外,开发可激活的NIR-II探针,这种探针能够特异地感知离子和神经递质,如K+、Ca2+和多巴胺,将大大加强对神经活动的化学机制的研究。不仅将促进对高级神经活动的探索,而且有助于揭示神经疾病的基本机制和开发有效的治疗方法。   

  (4) 在临床应用方面,NIR-II成像最有前景的应用是图像引导肿瘤手术。先进的NIR-II成像技术将大大提高肿瘤手术的精度。此外,NIR-II成像引导下的PDT/PTT也可用于近期临床试验,以获得更准确、安全、有效的PDT/PTT治疗肿瘤。此外, NIR-II成像在临床心血管疾病的精确诊断和治疗方面也具有很大的潜力。当然,要将近红外成像技术全面到临床,还需要下大力气。  

  文章链接: 

  ChunyanLi, Guangcun Chen, Yejun Zhang, Feng Wu, Qiangbin Wang*. Advanced FluorescenceImaging Technology in the Near-Infrared-II Window for Biomedical Applications. J.Am. Chem. Soc., 2020. 

  DOI:10.1021/jacs.0c07022  

  王强斌研究员: 

  1992年9月-1996年7月 中国石油大学 应用化学 学士; 

  1996年9月-1999年3月 中国石油大学 应用化学 硕士; 

  1999年4月-2002年3月 华东理工大学 材料学 博士; 

  2002年4月-2004年3月 上海交通大学纳米科学与技术工程研究中心 讲师; 

  2004年4月-2006年3月 ArizonaState University化学系 博士后; 

  2006年4月-2008年7月ArizonaState University生物设计研究院 助理研究教授 

  2008年7月至今苏州纳米科学技术与纳米仿生研究所 研究员 博士生导师。 

  主要研究领域:1. 纳米化学;2. 纳米-生物界面;3. 纳米生物光子学。主要从事纳米材料的制备、表面功能化及其生物医用应用研究,是江苏省自然科学基金优秀青年学者奖,国家自然科学基金优秀青年学者奖,日本化学学会特等讲座奖,国务院政府特殊津贴获奖人,2017江苏省科学技术奖一等奖获得者,也是国际学术期刊Small,Chemical Communications,Nanotechnology,Journal of Materials Chemistry, Journal of Applied Polymer Science的特约审稿人。 

  

 
 
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